Histórico de Refrigeração Refrigeração foi usada desde cedo nas civilizações antigas Civilização chinesa (séculos antes de Cristo) – usava gelo natural colhido nas superfícies dos rios e lagos congelados – gelo era conservado em poços cavados na terra e cobertos com palha Histórico de Refrigeração Civilizações Grega e Romana – aproveitavam o gelo colhido no alto das montanhas (utilizava trabalho escravo) para o preparo de bebidas e alimentos gelados Histórico de Refrigeração Civilização Egípcia – devido situação geográfica e ao clima, não dispunham de gelo natural – refrescava a água por evaporação, usando vasos de barro, semelhantes às moringas (comuns no interior do Brasil) O barro é um material poroso e por isto permite a passagem de uma pequena quantidade de água contida no interior da moringa para a superficie externa da moringa. A evaporação desta água para o ambiente faz baixar a temperatura da água restante na moringa, pois a energia necessária à evaporação é obtida da água contida na moringa durante muito séculos única utilidade para o gelo foi refrigerar bebidas e alimentos para melhorar seu paladar (Romanos vendiam sorvete em Roma, no verão) Microscópio – inventado final século XVII – permitiu identificar a existência de microorganismos (micróbios, bactérias) invisíveis à vista nua – micróbios existem em quantidades enormes, espalhados por todas as partes, água, alimentos e organismos vivos Louis Pasteur – identificou que alguns tipos de bactérias são responsáveis pela putrefação dos alimentos e por muitos tipos de doenças e epidemias – reprodução de bactérias podia ser impedida (ou limitada) pela aplicação do frio no ambiente em que elas proliferavam – suas constatações provocaram (século XVIII) grande expansão da indústria do gelo Antes da descoberta da capacidade inibidora do crescimento das bactérias pelo gelo os – alimentos eram deixados no seu estado natural, estragando-se rapidamente – para conservar por longo tempo era necessário • salgação • defumação • uso de condimentos Esses tratamentos (salgamento, defumação e condimentação) diminuíam a qualidade do alimento e modificavam o seu sabor Uso do Gelo • possibilidade de conservar alimentos frescos, com todas as suas qualidades, durante um período longo de tempo O uso do gelo natural durante muito tempo trouxe inconvenientes que prejudicaram o desenvolvimento da refrigeração Gelo natural – dependência direta da natureza para obtenção – só se formava no inverno e nas regiões de clima bastante frio – fornecimento bastante irregular – países quentes, sujeita a transporte demorado • maior parte se perdia por derretimento • estocagem era bastante difícil, só por períodos curtos Necessidade – meios e processos que permitissem a obtenção artificial de gelo artificial – independência da natureza 1834 – inventado o primeiro sistema mecânico de fabricação de gelo artificial – base dos atuais sistemas de refrigeração 1855 – na Alemana outro tipo de mecanismo para a fabricação do gelo artificial • baseado no princípio da absorção • descoberto em 1824 pelo físico e químico inglês Michael Faraday Durante cerca de meio século – os aperfeiçoamentos nos processos de fabricação de gelo artificial foram se acumulando – maiores rendimentos – melhores condições de trabalho – produção fez poucos progressos, por causa da desconfiança do consumidor contra o gelo artificial • apesar das vantagens da refrigeração artificial era crença geral que o gelo produzido pelo homem era prejudicial à saúde humana –por causa da descrença o consumo de gelo artificial era pequeno – em 1890, o inverno nos Estados Unidos, foi muito fraco e não houve bastante gelo natural neste ano – população teve que usar gelo artificial • quebra do tabú • gelo artificial era melhor que o produto natural – feito com água mais pura – ser produzido à vontade, conforme necessidade de consumo Gelo natural levou a criação das primeiras geladeiras(princípio do século XIX) Utilizavam placas de cortiça – dentro era colocadas pedras de gelo e os alimentos a conservar A fusão do gelo absorvia calor dos alimentos – reduziando a temperatura no interior da geladeira Gelo Artificial aceito pelo consumidor – demanda cresceu vertiginosamente fábricas de gelo (artificial) – passaram a surgir por todas as partes Fábrica de gelo –fabricação do gelo era feita em instalações especiais – não sendo possível a produção do gelo na casa dos consumidores – geleiro • carroça isolada • percorria os bairros • entregava nas casas dos consumidores, periodicamente, as pedras de gelo para as geladeiras Eletricidade – início século XX – substituição dos candeeiros de óleo e de querosene e dos lampiões de gases, pelas lâmpadas elétricas – disponível para movimentar pequenas máquinas e motores –permitiu a produção de gelo (pequena escala) na residência dos usuários – primeiro refrigerador doméstico surgiu em 1913 • aceitação mínima • operação manual • exigia atenção constante • baixo rendimento 1918 – apareceu primeiro refrigerador automático – movido a eletricidade – fabricado pela Kelvinator Company – a partir de 1920 • evolução intensa com produção sempre crescente de refrigeradores mecânicos Sistema Definições Importantes – quantidade de matéria (fixa) separada do Universo para estudo a fronteira do sistema pode ser • real ou imaginária • fixa ou móvel Vizinhança – ou meio ambiete é o restante do Universo • Universo = sistema + vizinhança Temperatura – grandeza que define o campo da Termodinâmica – grandeza física que permite identificar os corpos que nós identificamos (fisiolosicamente) como quentes e frios – grandeza física que estabelece a direção na qual a energia térmica se desloca Corpos em temperaturas diferentes – postos em contato térmico transferem calor (energia térmica) entre sí – do corpo mais quente para o mais frio – até ser atingido o equilíbrio térmico Equilíbrio Térmico – corpos (ou sistemas) que estão à mesma temperatura – sistemas que não podem trocar calor entre sí Termômetro – dispositivo ou equipamento que permite identifica “o” estado térmico em que um sistema se encontra Escala Termométrica – Conjunto de regras (arbitrárias) que permite associar números (de forma biunívoca) à estados térmicos Escala Celsius, 0C – inventada em 1742 pelo sueco Anders Celsius (1701 - 1744) Escala Fahrenheit, 0F – Fahrenheit, inventada por Gabriel Fahrenheit (1686 - 1736), utilizada pelos países de língua inglesa Escala Kelvin, K – escala absoluta proposta por Lord Kelvin ( Willian Thomson, 1824 - 1907) – a escala absoluta relacinada à escala Fahrenheit é chamada de escala Rankine e designada por R Conversão entre as escalas Lei Zero da Termodinâmica – estabelece que se pode determinar (identificar) um estado térmico (temperatura) utilizando um termômetro Fase – matéria pode existir nas três fases • • • • sólida líquida gasosa Plasma Temperatura e Pressão combinações de mais de uma fase é possível 1. Vaporização Possíveis mudança de fase evaporação 2. Condensação liquefação 3. Fusão 4. Solidificação 5. Sublimação 6. Sublimação Transmissão de calor pode ocorrer segundo três processos diferentes – Condução – Convecção – Radiação Condução – processo de transmissão de calor em que a energia térmica passa de um local para outro através das partículas existentes no corpo • na região mais quente as partículas têm mais energia e transmite parte da energia, de molécula para molécula, até o extremo oposto espalhando a energia pelo corpo inteiro Convecção – processo de transmissão de calor com formação de correntes em que as moléculas de matéria sobem e descem • convecção só ocorre em fluidos (líquidos e gases) • convecção natural, ocasionada por diferença de densidades devido à diferença de temperaturas entre as massas do fluido • convecção forçada, ocasionada por bombas ou ventiladores Verão – ar resfriado deve ser introduzido nas salas pela parte superior para que, devido a sua densidade, desça e provoque a circulação de ar Inverno – ar quente introduzido pela parte inferior da sala. Se ocorresse o contrário, o ar frio (mais denso) continuaria embaixo e o ar quente (menos denso) continuaria em cima, não havendo circulação Refrigeradores – evaporador é sempre instalado na parte superior, para que o ar resfriado desça, dando lugar ao ar mais quente, que sobe ao receber calor dos alimentos e da abertura de portas – as prateleiras são gradeadas para possibilitar a convecção do ar no interior do refrigerador Radiação – processo de transmissão de calor no vácuo ou num meio material • materiais diatérmicos – permite a propagação do calor por eles • materiais atérmicos – não permite a propagação do calor por eles Ar atmosférico meio diatérmico Parede de tijolos meio atérmico Importante –toda energia radiante, como ondas de rádio, radiações infravermelhas, luz visível, luz ultravioleta, raios X e outras, podem converter-se em energia térmica por absorção – só as radiações infravermelhas são chamadas de radiações térmicas – a energia radiante não aquece o meio em que se propaga, mas só o meio que a absorve calor luminoso Termos não muito comuns, mas utilizados – fonte térmica que emite calor acompanhado de luz sol, chama, arco voltáico, lâmpada incandescente, etc calor obscuro – fonte térmica que emite calor não acompanhada de luz forno de assar, ferro de passar roupa, etc corpos de cores escuras são bons absorventes e bons emissores de calor corpos de cores claras são maus absorventes e maus emissores de calor, porém bons refletores condensadores utilizados nos refrigeradores domésticos são pintados com tinta escura para facilitar a emissão do calor pela radiação para o ambiente Quantidade de Calor kcal – quilocaloria – quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um quilograma de água destilada de 1ºC kcal – Uma quilocaloria é a quantidade de calor necessária para elevar de 14,5ºC a 15,5ºC a temperatura de um quilograma de água pura a pressão normal – caloria quantidade de calor necessária para elevar de 14,5ºC a 15,5ºC a temperatura de um grama de água pura a pressão normal BTU – British Thermal Unit – BTU é a quantidade de calor necessária para aquecer 1lb (1 libra-massa = 435,6g) de água pura de 58,5ºF a 59,5ºF, sob pressão normal 1 BTU = 3,96 Kcal 1 BTU ~ 4 Kcal Capacidade Térmica - C A capacidade térmica (C) permite responder a duas questões básicas da calorimetria – Quanto calor (Q=?) é necessário para se obter uma certa variação de temperatura, ΔT – Qual a variação de temperatura (ΔT=?) que ocorre quando se fornece uma certa quantidade de calor ao corpo, Q Calor Específico - c – porque nos interessa obter uma quantidade que não dependa do sistema (quantidade de massa) define-se o calor específico, c c Calor Específico C m c Q m T Q m c T indica a quantidade de calor que se deve fornecer a unidade de massa do sistema para que ela tenha um aumento de temperarura de 1 grau Q c Calor sensível Q m c T – aquele percebido pela variação da temperatura Calor Latente Q m L m T – aquele que não é percebido pela variação na temperatura do sistema, mas sim pela mudança de fase que provoca Quantidade total de calor transferido Q Qs QL Q m c T m L Princípio da Conservação da Energia aplicado à calorimetria Num sistema termicamente isolado, a soma das quantidades de calor recebido é igual a soma das quantidades de calor cedido Equação Fundamental da Calorimetria Q 0 Q Q r j j c Equivalente Mecânico da Caloria – Energia térmica (calor) e energia mecânica (trabalho) eram grandezas diferentes – Estudadas em campos diferentes • Mecânica • Calorimetria Até que se mostrou que se tratavam da mesma grandeza física: ENERGIA Equivalente Mecânico da Caloria W J Q Joule caloria -1a Lei da Termodinâmica para um ciclo Definições Importantes Utilizando-se o mesmo sistema de unidades tanto para o calor quanto para o trabalho (tudo medido em Joule) J 4186 1a Lei da Termodinâmica para um ciclo W Q W Q j 1a Lei da Termodinâmica – para um sistema Convenção de sinais i J kcal sistema 1a Lei da Termodinâmica Definições Importantes – Volume de Controle (vc) Fazendo o Balanço de Energia Q m u i i 1 1 pi vi vi2 gzi W me ue pe ve ve2 gze Evc 2 2 um fluxo entrada e um fluxo saída Q mi ui pi vi Ei ,cin Ei , pot W me he Ee,cin Ee, pot Evc Rescrevendo a 1a Lei (1 fluxo) Regime Permanente Débito de massa ou simplesmente débito dm m Av dt kg s 1a Lei (1 fluxo + regime permanente) 1a Lei da Termodinâmica • 1 fluxo • regime permanente Efeito Refrigerante Q W m he hi mede a quantidade de calor retirado do sistema. Nos refrigeradores mede a quantidade de calor por hora retirado do espaço que se está refrigerando Diagrama de Mollier Diagrama cujas coordenadas são Pressão e Entalpia P h