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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
1
Curso de Qualificao Bsica em Refrigerao e Ar Condicionado a Distncia - CEFET - SC
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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Curso de Qualificao Bsica em Refrigerao e Ar Condicionado a Distncia - CEFET - SC
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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Curso de Qualificao Bsica em Refrigerao e Ar Condicionado a Distncia - CEFET - SC
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