Modulo 1 Parte 1

Curso de Qualificao Bsica em Refrigerao e Ar Condicionado a Distncia - CEFET - SC

CENTRO FEDERAL DE EDUCAO

TECNOLGICA DE SANTA CATARINA

UNIDADE SO JOS

REA DE REFRIGERAO E AR CONDICIONADO

TRABALHO

CALOR

CURSO DE FORMAO INICIAL E CONTINUADA

EM REFRIGERAO E AR CONDICIONADO

MDULO 1

TERMODINMICA BSICA

CURSO RAC BSICO PARTE 1

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1.1. TERMODINMICA TERMODINMICA

1. Introduo

As primeiras experincias com respeito ao que chamamos calor devem ter sido

realizadas pelo homem das cavernas, afinal de contas ele descobriu como fazer fogo para se

aquecer e como us-lo para se alimentar.

UGA ! UGA !*

* Fogo bom !

As noes de quente e frio so inatas ao homem, sendo que a temperatura do

ambiente se registra e se assinala no crebro atravs de milhes de terminais nervosos que tm

suas extremidades na pele humana.

Entretanto, a resposta humana s sensaes de quente e frio so enganosas, uma vez

que um homem com os olhos vendados no pode dizer se sua mo queimada pelo contato

com um pedao de ferro aquecido ao rubro, ou congelada por um pedao de gelo seco.

Na atualidade, todo esse conhecimento sistematizado pela rea de Termodinmica.

Termodinmica pode, ento, ser definida como a rea do conhecimento que estuda as relaes

entre calor e o trabalho e a suas aplicaes no desenvolvimento das mquinas trmicas. Foi

atravs destas relaes que se fundamentou a inveno de notveis mquinas trmicas como:

Mquina a vapor que impulsionou a revoluo industrial; Motores de combusto interna que

revolucionaram a indstria automotiva; Mquinas de refrigerao que permitem a

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conservao de alimentos; Mquinas de climatizao que permitem ao homem viver em

climas at ento impossveis. Obviamente a termodinmica uma cincia moderna que tem

seu passado ligado ao domnio do fogo pelos nossos ancestrais, a inveno da eolpia por

Heron, na Grcia Antiga, alis, a eolpia a primeira mquina trmica de que se tem notcia

na histria com capacidade de produo de trabalho pela da aplicao de energia trmica,

conforme ilustrado na figura 1.1.

TRABALHO

CALOR

Figura 1.1-Eolpia desenvolvida por Heron, Grcia Antiga

2. Grandezas Fsicas

Podemos definir uma grandeza fsica como qualquer ente que pode variar

quantitativamente. Essas grandezas so classificadas em:

a) Grandezas Escalares: So caracterizadas por um nmero real, acompanhado de

uma unidade de medida. Exemplo: Massa: a massa de um corpo de 3kg ; Volume: o volume

de um cubo de 20 cm3

b) Grandezas Vetoriais: So caracterizadas por um nmero real denominado

mdulo ou intensidade, acompanhado de uma unidade de medida , uma direo e um sentido.

Exemplo: Um carro se movimentando sobre a estrada retilnea com velocidade de 80 km/h.

Observamos que para a grandeza fsica velocidade ficar caracterizada, precisamos saber:- seu

mdulo (80)- sua direo (horizontal) e seu sentido (da esquerda para a direita)

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O Sistema Internacional de Unidades (SI) define as unidades utilizadas legalmente

no nosso pas. Isso importante, pois o desenvolvimento da transferncia de calor est

totalmente baseado nas quatro dimenses bsicas do Sistema Internacional, que esto listadas

na tabela abaixo.

Tabela 1.1- Unidades bsicas do SIGrandeza Nome e smboloComprimento metro (m)Massa kilograma (kg)Tempo segundo (s)Temperatura kelvin (K)

Apesar da unidade SI para temperatura ser o Kelvin (K), o uso da escala Celsius

ainda bem comum. O zero na escala Celsius (0C) equivalente a 273,15 K.

Dessas unidades bsicas, derivam todas as demais como algumas grandezas tpicas

da rea de Cincias Trmicas apresentadas na tabela 1.2.

Tabela 1.2- Unidades derivadas do SI para algumas grandezas

Quantidade Nome e smbolo

Frmula Expresso em unidade de base

do SIFora newton (N) m.kg/s2 -Presso pascal (Pa) N/m2 kg/m.sEnergia joule (J) N.m m.kg/sPotncia watt (W) J/s m.kg/sCondutibilidade trmica

- W/m.K m.kg/s.K

Coeficiente de transferncia de calor

- W/m2.K kg/s.K

Eventualmente, poderemos nos deparar com unidades do sistema Ingls, que so

muito comuns ainda nos Estados Unidos da Amrica e tambm na Inglaterra. Como exemplo,

a carga trmica (termo muito utilizado em climatizao) muitas vezes calculada em Btu/h.

Isso porque os catlogos dos fabricantes de condicionamento de ar trazem esta

unidade na determinao da capacidade de seus equipamentos. Por isso, a tabela 1.3 de

converso de fatores bem til.

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Tabela 1.3 - Fatores de converso teis1 lbf = 4,448 N 1 Btu = 1055 J1 lbf/pol (ou PSI) = 6895 Pa 1 kcal = 4,1868 kJ1 pol = 0,0254 m 1 kW = 3413 Btu/h1 H.P. = 746 W = 2545 Btu/h 1 litro (l) = 0,001 m1 kcal/h = 1163 W 1 TR = 3517 W1 m = 100 cm 12000 Btu/h = 1 TR*

TR = Tonelada de refrigerao, comumente utilizada para especificar capacidade

de equipamentos de refrigerao e condicionamento de ar

Vamos ver como ficam as converses abaixo:

a) 12000 Btu/h = 1 TR (conforme Tabela 1.3)

b) 2 TR = 7034 W (Se 1TR 3517 W, logo 2TR o dobro)

c) 100 l = 0,1 m (1 litro 0,001m3, logo 100 litros s multiplicar por 100)

d) 2000 kcal = 8373,6 kJ (conforme detalhado a seguir ).

Observe o procedimento de aplicao de uma regra de trs para converso:

=

=

xkcalkJkcal

2000186,41

logo: kJxx

6,83732000.186,4.1

=

=

Agora ficou mais fcil, no ? Vamos continuar ento... Ah, mas antes reflita sobre o pensamento a seguir !

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3. Energia

Vamos agora pensar em energia. Pois bem, o que energia ento?

Entendemos energia como um elemento capaz de causar transformaes na natureza.

Estas transformaes podem ocorrer de diversas formas e dependendo do tipo define-se ento,

o tipo de energia envolvida. Por exemplo: para que uma pedra possa se movimentar de um

lugar a outro necessrio a aplicao de uma energia mecnica atravs do uso de uma fora.

J uma panela cheia de gua s ter sua temperatura aumentada com a aplicao de energia

trmica atravs do agente calor. O sol, por exemplo, fornece energia solar atravs de ondas

eletromagnticas. No se preocupe que na parte dois veremos isto melhor em radiao.

RAC

Energia solar

Em sua expresso mais simples, energia a capacidade de realizar trabalho. Ela pode

existir sob diversas formas, como energia trmica (calor), energia mecnica, energia qumica,

energia eltrica etc., e pode ser transformada de uma destas formas para outra. Por exemplo, a

energia qumica de uma bateria de acumuladores transforma-se em energia eltrica que passa

em um circuito e acende uma lmpada (energia luminosa ou energia trmica) ou aciona um

motor (energia mecnica). Embora a energia possa ser transformada de uma forma para outra,

em um sistema fechado, ela no pode ser criada ou destruda. o famoso princpio da

conservao da energia. Na termodinmica trataremos apenas das transformaes de energia

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mecnica (atravs do trabalho) e da energia trmica (atravs do calor), certo? Ento vamos

estudar um pouco sobre o calor, agora.

4. Calor

Calor uma forma de energia transferida de um corpo a outro devido s diferenas

de temperatura (figura 1.2). No processo de aquecimento por exemplo, temos a energia

trmica sendo transferida da chama com elevada temperatura para o corpo com baixa

temperatura conforme mostrado na figura 1.3.

Corpo quente

Corpo frio

Figura 1.2- Trocas de calor entre um corpo quente e um frio.

O calor recebido pelo corpo pode ser medido atravs de diversas equaes que levam

em geral em considerao a massa do corpo sendo aquecido, suas caractersticas individuais

definidas pela propriedade calor especfico e a diferena de temperatura sofrida durante o

processo. Comumente, ouvimos a afirmao: Estou com calor! Considera-se tecnicamente

esta afirmao equivocada, uma vez que um corpo no pode conter calor, mas sim transferi-

lo para outro devido s diferenas de temperatura.

O calor pode ser trocado de um corpo a outro por trs processos principais: So eles

a conduo, a conveco e a radiao. Na conduo h necessidade de um meio slido para a

transferncia do calor, j a conveco necessita de um meio fluido, onde o calor levado por

este de um corpo a outro. Este meio j no necessrio quando se fala na radiao, que a

transferncia de calor de um corpo a outro atravs de ondas eletromagnticas. No apndice

voc ver com mais detalhes cada um destes processos.

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Figura 1.3 Calor trocado entre uma chama e um meio.

Mas afinal, o que calor?

Pois bem, calor uma forma de energia transferindo-se de um corpo para outro. A

quantidade de calor depende da quantidade e do tipo do corpo em questo. O calor no pode

ser destrudo, mas pode ser transferido de um corpo para outro, sempre passando do mais

quente para o mais frio. Neste fato est baseada a cincia da refrigerao. A unidade

empregada para medir a quantidade de calor a caloria, ou seja, a quantidade de calor

necessria para elevar a temperatura de um grama de gua de um grau centgrado, presso

atmosfrica normal; ou seu mltiplo, a quilocaloria (smbolos cal e kcal, respectivamente). No

Sistema Internacional de Unidades, empregamos a unidade joules para avaliar-se as trocas de

energia trmica. Nos pases de lngua inglesa, a unidade adotada British Thermal Unit,

mais conhecida pela sua abreviao Btu. A Btu a quantidade de energia calorfica necessria

para elevar a temperatura a uma libra de gua em um grau Fahrenheit. Inversamente, se a

temperatura de uma libra de gua reduzida de um grau Fahrenheit, uma BTU de energia

calorfica foi retirada, voc compreendeu?

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Bem, j estudamos a energia e o calor, certo? Agora veremos como o trabalho

gerado.

5. Trabalho

Trabalho uma forma de energia mecnica capaz provocar movimentao de um

corpo. Por exemplo: O gs levantando um mbolo est realizando um trabalho mecnico

sobre o mesmo. Esse trabalho pode ser medido pela fora aplicada, multiplicada pela distncia

deslocada. Podemos observar ainda que, em refrigerao comumente temos o movimento

mecnico de um pisto dentro do compressor. Esse pisto est realizando trabalho sobre um

fluido porque recebe em contrapartida energia eltrica da rede para movimentar um eixo,

entende?

RAC

HUM! ESTOU APRENDENDO!

Ento, a energia mecnica envolvida nessa transformao, chamada de trabalho,

pode ser calculada pela fora aplicada multiplicada pelo deslocamento sofrido pelo objeto.

Ah! Agora ficou claro, no mesmo?

distnciaForaW .= (1.1)

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1) Vamos agora, juntos, calcular o trabalho (energia mecnica) necessrio para

arrastar um aparelho de condicionamento de ar que tem uma massa de 100 kg atravs de uma

fora constante de 3000 N a uma distncia de 20 metros (figura 1.4). Esta caixa sofre a

aplicao de uma fora constante de 3000 newtons (unidade de Fora) e dessa forma, se

desloca em 20 metros (unidade de comprimento).

DISTNCIA

FORA

Figura 1.4- Trabalho realizado por uma fora sobre um corpo.Logo temos:

kJmNmNWdFW

60.6000020.3000.

===

=

E a, o que voc achou? Fcil?! Ento vamos seguir em frente! Mas antes reflita

sobre a interessante frase a seguir.

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6. Potncia

Para podermos entender potncia, importante se ter uma coisa em mente: Uma

dada quantidade de energia pode ser disponibilizada em um tempo maior ou menor. De

acordo com o tempo que podemos disponibilizar a energia temos mais ou menos potncia.

Ou seja, uma chama que capaz de ferver a gua em 5 minutos tem a metade da potncia de

uma chama que ferve a gua em 2,5 minutos.

Em termos tcnicos podemos definir potncia como a energia pela unidade de tempo

sendo que sua unidade caracterstica pode ser dada em Watts, BTU/h, CV, HP, kcal/h e

toneladas de refrigerao (1TR=12000 Btu/h). A partir de agora, voc j no pode mais

confundir unidade de energia com unidade de potncia, certo! Por exemplo: BTU unidade

de energia, mas BTU/h de potncia. Porm, diversos aparelhos de condicionamento de ar

so vendidos erroneamente em BTU. Voc sabia disso? Dizem que uma questo de

marketing, mas est errado do ponto de vista tcnico.

Na figura 1.5, voc poder verificar uma aplicao prtica da definio de potncia.

James Watt mostrou que um cavalo forte era capaz de elevar uma carga de 75kg at a altura

de um metro em um segundo. A essa potncia chamamos cavalo-vapor (devido

comparao com mquina a vapor de James Watt) com abreviao de CV.

1 m

TRAO

MASSA = 75kg

Figura 1.5 Ilustrao do experimento de James Watt para determinao da potncia mecnica.

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O clculo da potncia pode ser realizado primeiramente calculando-se a fora que

ser utilizada para deslocar o objeto. Essa fora igual ao peso do objeto em newtons, sendo

o peso calculado pela massa multiplicada pela constante de acelerao gravitacional g.

dPWgmP..

=

=

onde m a massa do corpo em kg, g a constante de acelerao gravitacional e

d a distncia percorrida pelo corpo, dada em metros. Vamos ver o clculo?

JmNW

NsmkgP

5,7391.5,739

5,73986,9.75 2

==

==

WsJ

sJ

ttempoWTrabalhoPotncia 5,7395,739

15,739

)()(

====

7. Sistema Termodinmico

Veremos agora como funciona um sistema termodinmico. Est interessado? Ento

venha comigo!

Sistema termodinmico o nome dado a uma quantidade de matria de massa e

identidades fixas, sobre a qual nossa ateno dirigida. Tudo externo ao sistema

considerado vizinhana ou meio. O sistema separado de um meio exterior atravs de uma

fronteira bem delimitada que pode ser real ou imaginria, fixa ou mvel. O sistema pode

trocar calor e trabalho com o meio, mas tem sua massa constante durante o processo, veja a

figura 1.6 !

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CALOR

SISTEMA COM MASSA CONSTANTE

MBOLO

TRABALHO

GS

Figura 1.6- Sistema Termodinmico.

Dou um outro exemplo para voc: seja o cilindro da figura 1.7, onde um gs tem seu

volume aumentado pela da aplicao de energia trmica na forma de calor. Voc observa que

o gs est inserido em um sistema fechado com fronteira mvel delimitado imaginariamente

pelo pisto e pelas paredes do cilindro. O calor recebido pelo gs e este pode realizar

trabalho, levantando um mbolo, por exemplo. Dessa forma fica claro que o sistema pode

trocar energia mecnica e trmica como o meio, mas tem sua massa constante, entendeu?

GS SISTEMA

Figura 1.7- Sistema formado por um gs aprisionado por um mbolo

Veja bem, muitas dificuldades, porm, podem surgir na anlise de sistemas trmicos

pela escolha inadequada do sistema a ser estudado. A escolha do sistema est intimamente

relacionada ao que se deseja obter na anlise. Por este motivo, criou-se tambm o conceito de

volume de controle, que nada mais do que um sistema aberto que admite a variao da sua

massa.

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Este conceito bastante importante na anlise de mquinas trmicas como

compressores, bombas, ventiladores e turbinas. Em um volume de controle, a massa, o calor

e o trabalho podem ser transportados atravs da superfcie de controle.

Materia

Mas pense bem ! Onde podemos encontrar

matria ?

Bem, em geral a matria pode ser encontrada na natureza nas formas de gs, lquido

e slido. Tudo bem, mas o que acontece quando aplicamos uma energia na matria? Simples!

Temos uma modificao de estado termodinmico. Agora ficou fcil no ? Vamos observar

a gua. Comumente podemos encontr-la no estado slido (gelo), lquido e gasoso (vapor),

conforme esquematizado para voc na figura 1.7. Alm da gua, trabalha-se na refrigerao

com fluidos refrigerantes. Esses fluidos sofrem uma srie de transformaes cclicas capazes

de produzir o efeito da refrigerao. Desta forma, podemos encontr-los nas fases lquida e de

vapor dentro de um sistema. Agora observe novamente a figura 1.8 e veja como ficou mais

claro para voc o que acabei de explicar.

SLIDO LQUIDO VAPOR

FUSO

SOLIDIFICAO CONDENSAO

VAPORIZAO

SUBLIMAO

Figura 1.8 Mudanas de fase da matria.

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Questionamentos Bsicos da Parte 1 do Mdulo 1:

1- O que calor e trabalho?

2- Como James Watt definiu o valor de 1CV?

3- Quais a unidades mais utilizadas em refrigerao e climatizao?

4- Quais as fases da matria e quais as transformaes sofridas pelo fluido

refrigerante dentro de um refrigerador?

5- O que um sistema termodinmico?

Respostas disponveis no nosso Portal de RAC na WIKI

http://www.sj.cefetsc.edu.br/wiki - Perguntas e Respostas

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1.Introduo2.Grandezas Fsicas 3.Energia 4.Calor5.Trabalho6.Potncia7.Sistema Termodinmico

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Modulo 1 Parte 1