Produto - PUC Minas
Propaganda
1 PRODUTO EDUCACIONAL A GELADEIRA 2 SUMÁRIO APRESENTAÇÃO .......................................................................................... 54 ETAPA 1: TRABALHANDO COM A GELADEIRA .......................................... 55 ORIENTAÇÕES DE USO DO CONTEÚDO DIGITAL .................................... 59 ETAPA 2: TEXTOS INFORMATIVOS ............................................................ 72 MÁQUINAS TÉRMICAS: ASPECTOS HISTÓRICOS..................................... 72 UMA SÍNTESE DO FUNCIONAMENTO DE UM REFRIGERADOR DOMÉSTICO .................................................................................................. 75 O QUE A GELADEIRA TEM? ......................................................................... 80 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA,POTÊNCIA E PERDAS TÉRMICAS . 84 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA .......................................................... 86 EXPANSÕES ADIABÁTICAS E MUDANÇAS DE TEMPERATURA .............. 87 GÁS DE GELADEIRA AINDA PREOCUPA O MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE.......................................................................................................89 REFERÊNCIAS .............................................................................................. 90 3 APRESENTAÇÃO No presente trabalho, apresenta-se um produto que envolve o uso de uma animação por meio de um roteiro de aula, para alunos do segundo ano do Ensino Médio, visando o aprendizado de conceitos da Termodinâmica através do estudo dos refrigeradores domésticos. O produto educacional é fundamentado nos três momentos pedagógicos de Delizoicov, a saber: Problematização inicial Momento caracterizado por conhecer e compreender o que os alunos sabem, bem como a posição dos mesmos frente ao assunto abordado. Organização do conhecimento Momento destinado a estudar sistematicamente os conteúdos necessários para a compreensão do tema e da problematização inicial. Aplicação do conhecimento Etapa destinada a capacitar o aluno na utilização do conhecimento que vem sendo adquirido. Utiliza-se para isso, atividades e experimentos. 4 1.1. Problematização inicial: O que você sabe sobre a geladeira? Inicia-se com um texto introdutório “O que sabemos sobre a geladeira e seu funcionamento” que serve para fornecer aos alunos uma visão geral sobre o assunto. Nele são citadas a importância de objetos e aparelhos que fazem parte de nosso dia-a-dia, mas que quase nunca paramos para pensar como funcionam e como são feitos, por exemplo, a geladeira. O que sabemos sobre a geladeira e seu funcionamento É muito comum que objetos, aparelhos e processos com os quais lidamos em nosso dia a dia tornem-se integrados à paisagem. Olhamos para esses objetos, os utilizamos, mas quase nunca paramos para pensar como funcionam e como são feitos. Chegar a compreender a estrutura e o funcionamento de determinados aparelhos e processos representa investimento de estudo, pesquisa e reflexão. A geladeira é um bom exemplo de aparelho cuja investigação nos dá esse sentimento de recompensa. É um aparelho eletrodoméstico de uso bastante difundido e desempenha importante função nas formas atuais de produção, distribuição e conservação dos alimentos. Mas quanto sabemos sobre a estrutura e funcionamento da geladeira? Ao responder as questões abaixo, você terá a oportunidade de parar para pensar nesse assunto, despertar em si determinadas curiosidades e registrar seus conhecimentos atuais sobre o assunto. Você não acha legal se ao final da unidade de estudos sobre a geladeira você puder comparar as respostas dadas às questões abaixo aquela que você será capaz de dar em função de nossos estudos? Vamos lá então! Fonte: PAULA, Helder de Figueiredo e; PRADO, Johanna Alida E. Knegt Lopes. Refrigeradores como Máquinas Térmicas. Uma proposta de reformulação do ensino de física para o Ensino Médio. Ano 1998. 5 ORIENTAÇÕES − Inicie a aula colocando os seguintes questionamentos para os alunos: − Mais ou menos em que época foi inventada a geladeira? O primeiro modelo tinha o mesmo princípio de funcionamento do que o modelo atual? − Baseando-se apenas em sua memória ou conhecimento que você já tem sobre o assunto, tente descrever todos os aspectos relativos à estrutura e ao funcionamento de uma geladeira doméstica. − Se quiser utilize um texto para problematizar o tema. − Divida a turma em grupos e peça que respondam às questões. − Faça um apanhado dos resultados dos grupos, sistematizando-os para a turma. − Caso os alunos não tenham familiaridade com as partes da geladeira, sugerir como tarefa fazer um estudo completo da geladeira de sua casa, escrever um texto descrevendo suas partes com fotos ou diagramas. − Em um segundo, momento discuta com os alunos quais são as funções de cada parte da geladeira, ainda no formato de problematização. 1.2. Organização do conhecimento: Entendendo a termodinâmica da geladeira Nesta etapa descrevemos uma atividade elaborada para explorar as leis da Termodinâmica; Mudanças de Fase; Convecção Térmica, utilizando uma animação e exercícios de fixação. 3.2.1 Animação Para realizar a atividade proposta é necessário acessar a animação: A geladeira, disponível para download no endereço eletrônico: http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/17467. 6 OBJETIVOS − Reconhecer os princípios físicos gerais envolvidos no funcionamento das geladeiras; − Identificar os principais componentes das geladeiras e compreender a função de cada um deles; − Contribuir para o conhecimento acerca da propagação do calor, sobretudo da convecção térmica; − Compreender o motivo da localização do congelador na parte superior do aparelho e, extensão, da colocação dos aparelhos de arcondicionado na parte alta das paredes; − Discutir a Termodinâmica e conhecer a geladeira como um exemplo de máquina térmica. JUSTIFICATIVAS − O tema geladeira é interessante e trabalhado nas três ciências: Física, Química e Biologia. − A animação apresenta uma situação do cotidiano, onde o aluno pode relacionar sua vivência no que está estudando. − A animação, além da explicação sobre o funcionamento da geladeira também alerta para o seu mau uso. ORIENTAÇÕES A animação se divide em quatro tópicos (Introdução, A geladeira, Etapas de funcionamento e Economizando energia) de forma que no final de cada tópico faz-se uma pausa para explicação e discussão do que foi apresentado. Essas pausas foram criadas para possibilitar que você realize intervenções e esclarecimentos sobre o tema durante a utilização do referido conteúdo digital. Se necessário podese reiniciar a animação ou, depois da explicação, optar por avançar para o próximo tópico. 7 Observação Apresentar toda a animação para depois explicar e discutir o conteúdo pode tornar a aula improdutiva e cansativa, bem como gerar distração dos alunos com atividades não pertinentes ao trabalho desenvolvido em sala de aula. Perde-se também a riqueza dos detalhes que são apresentados na simulação. Sugere-se ao professor trabalhar com os alunos a animação mostrada na figura 1, discutindo as questões propostas. Figura 1 - Animação - A Geladeira Fonte: Dados da animação Como proposta metodológica para utilização deste conteúdo digital, sugerimos que antes do acesso à mídia seja feita uma abordagem sobre termometria, calorimetria e termodinâmica, podendo ser através de aula expositiva, discussão de textos ou seminários. Na interação com a mídia, os alunos poderão ser divididos em grupos. Em cada pausa existente no software, você pode perguntar aos alunos se estão compreendendo o assunto, se há dúvidas e estimular cada aluno a identificar a presença dos refrigeradores em seu cotidiano, refletindo sua importância. Sugerimos que, inicialmente, o aluno visualize a sequência do processo de funcionamento do refrigerador, ficando livre depois para ver, aleatoriamente, a explicação de cada 8 parte da geladeira. É importante o acompanhamento dos alunos para que a interação com a mídia seja a mais proveitosa possível e favoreça a aprendizagem. Orientações de uso do conteúdo digital Professor (a), este software possui um menu com as seguintes opções: Iniciar Trilhas Compartilhe Se ligue Créditos A Geladeira, por ser uma animação da categoria “Fique Sabendo”, apresentará pausas no decorrer da sua exibição. Essas pausas foram criadas para possibilitar que você realize intervenções e esclarecimentos sobre o tema durante a utilização do referido conteúdo digital. Você irá observar que, em cada pausa, aparecem as falas do narrador em forma de texto. Essa estratégia foi criada para que todos tenham acesso ao presente conteúdo, permitindo a releitura, a sistematização e a reflexão da situação apresentada. Na opção “Trilhas”, encontraremos a animação compartimentada, possibilitando visualizar a parte escolhida. A opção “Compartilhe” sugere que os alunos socializem suas reflexões com outras pessoas, abrindo o navegador padrão do sistema e permitindo o acesso à internet, caso seja possível. Sugerimos que você utilize esse recurso para produção de trabalho coletivo entre os alunos e até provoque que compartilhem informações sobre o conteúdo digital com estudantes de outras escolas, enfim que troquem experiências. Já a opção “Se ligue” traz sugestões de conteúdos, ligados aos assuntos abordados na mídia, para pesquisa e aprofundamento. Esses conteúdos poderão ser trabalhados em sala de aula, ampliando a abordagem da temática. Antes de expor o software, solicitamos que explique aos seus alunos quais os objetivos deste recurso como, por exemplo, estimular ainda mais o interesse em pesquisar e conhecer os processos físicos que estão a nossa volta. É importante deixar claro também que o software não substitui a aula, sendo um recurso que 9 busca auxiliar a compreensão do conteúdo durante o processo de ensinoaprendizagem. Mãos à obra Clique na opção trilhas, mostrada na figura 1, onde você encontrará a animação compartimentada podendo seguir a sequência sugestionada ou podendo escolher o tópico que preferir. Figura 2- Animação- A Geladeira Fonte: Dados da animação Clique sobre o ícone Introdução, mostrado na figura 2, onde é apresentado um breve relato sobre a geladeira e seu funcionamento (figura 3). Assista a explicação anotando o que for mais importante. Sugere-se trabalhar com os alunos o texto informativo: Máquinas térmicas: aspectos históricos como forma de enriquecer a introdução. 10 Figura 3 – Introdução- A Geladeira Fonte: Dados da animação Ao final de cada etapa, surge a opção minhas anotações, mostrada na figura Neste tópico você tem a opção de revisar o conteúdo apresentado, copiar, reiniciar, continuar ou mesmo sair. Figura 4 - Minhas anotações Fonte: Dados da animação Clique sobre o ícone A geladeira, figura 2, e assista a um breve histórico sobre a geladeira, suas modificações e avanços, razão para se possuir uma 11 geladeira e sua relação com a biologia e o meio ambiente (figura 5). Da mesma forma que foi feito anteriormente, anote as informações mais importantes. Figura 5 – A Geladeira Fonte: Dados da animação Neste momento, sugere-se ao professor discutir com os alunos o texto informativo: Gás de geladeira ainda preocupa o Ministério do Meio Ambiente e, logo em seguida, as questões propostas abaixo. Questão1: Quais as características do gás utilizado nas geladeiras? No caso de vazamento, ele é prejudicial ao meio ambiente?Por quê? Questão2: O motor de uma geladeira funciona o tempo todo? Clique sobre o ícone Etapas de funcionamento, mostrado na figura 2, e observe a explicação do funcionamento de cada parte da geladeira detalhadamente (Compressor, condensador, válvula de expansão, evaporador e convecção térmica), mostrada na figura 6. Se necessário faça anotação do que julgar mais importante ou utilize o recurso Minhas anotações. Neste momento, discuta juntamente com o aluno os textos informativos: Uma síntese do funcionamento de um refrigerador doméstico e O que a geladeira tem? Logo em seguida trabalhar as questões propostas: 12 Questão1: Na parte de trás de uma geladeira, há uma tubulação pintada de preto e em forma de serpentina chamada radiador ou condensador. Por que não devemos usar essa parte do refrigerador como varal? Questão2: O ar-condicionado precisa ser colocado nas partes altas das paredes? Por quê? Figura 6 – Etapas de funcionamento Fonte: Dados da pesquisa Na figura 6, mostrada acima, explora-se ainda, após a explicação das etapas de funcionamento, o ícone válvula de expansão onde o texto informativo: Expansões adiabáticas e mudanças de temperatura é trabalhado de forma a enriquecer o assunto. Em Economizando energia, ícone mostrado na figura 2, encontramos dicas de racionamento de energia com relação ao refrigerador doméstico (figura 7). 13 Figura 7 – Economizando energia Fonte: Dados da animação Discuta juntamente com o aluno as questões propostas: Questão1: É prejudicial colocar comida quente na geladeira? Por quê? Questão2: Por que não devemos deixar a porta da geladeira aberta? Após a animação sugere-se ao professor que juntamente com os alunos dialogue sobre os dois textos informativos: A primeira lei da termodinâmica,potência e perdas térmicas e A segunda lei da termodinâmica porque poderá ajudar na aquisição de novos conhecimentos. 1.3. Aplicação do conhecimento: ampliando os conhecimentos sobre a geladeira Retorne à situação da problematização inicial, agora com o conhecimento mais organizado. Peça aos alunos que: − Façam um painel resumindo o processo de funcionamento da geladeira, com imagens de cada parte da geladeira e a descrição do que ocorre; − Discutam com os alunos hábitos que precisam ser adotados para economia de energia, como: não colocar roupa para secar no fundo da geladeira, não 14 deixar a porta aberta, limpar as partes internas e externas, não colocar comida quente dentro da geladeira, entre outros; − Realizem o roteiro de atividades proposto. 3.3.1 Roteiro de atividades Pré-requisitos: O estudante deverá compreender o conceito de energia interna, temperatura, calor e trabalho. Tópicos/Habilidades: − Compreender processos em que o fornecimento ou retirada de calor de um sistema, pode produzir aumento ou redução de seu volume, resultando na realização de trabalho. − Compreender o funcionamento de uma máquina térmica. Justificativa: Os experimentos pertencem ao Centro de Referência Virtual do Professor, que fundamenta todas as suas atividades na Proposta Curricular do Estado de Minas Gerais (CBC) que é a diretriz norteadora desse trabalho. Os materiais da prática são de fácil acesso para o aluno, permite compreender que a energia interna de um corpo está associada à energia de movimento aleatório das partículas do corpo e que a temperatura de um corpo é uma grandeza que está associada à sua energia interna, enfim, permite que o aluno compreenda o funcionamento de uma máquina térmica de forma bem simples. − Peça que os alunos tragam os materiais listados. Materiais: − 01 garrafa PET de 500ml com tampa de rosca ou frasco similar; − Água colorida com anilina ou tinta guache; − 01 tubo fino de plástico (reservatório transparente vazio de uma caneta esferográfica); − Supercola (adesivo instantâneo universal); − 02 vasilhas que caibam uma garrafa PET; − Ebulidor; − Gelo; 15 − 01 balão de aniversário nº 5, 6 ou 7. Descrição dos procedimentos: Atividade 01 – Expansão ou compressão de um líquido e Trabalho mecânico Figura 8 – Esquema da prática Fonte: Centro de Referência Virtual do Professor – CRV. 1. Pegue um frasco de plástico com tampa, como por exemplo, uma garrafa PET de 500 ml, e o encha completamente com água colorida de anilina ou tinta guache, como mostrado na figura 8. 2. Fure o centro da tampa para que possa passar o tubo fino de plástico. Esse furo deverá ter um diâmetro ligeiramente menor do que o diâmetro do tubo. 3. Encaixe o tubo fino de plástico ou um canudinho transparente de refresco. Use um pouco de supercola para vedar qualquer orifício que, por acaso, exista em torno do tubo e da tampa. 4. Feche a garrafa forçando à tampa para que se ajuste bem. Isso fará com que água colorida suba até certa altura no interior do tubo. 5. Coloque a montagem (sistema garrafa-água) numa vasilha com água quente, de modo que ela envolva praticamente toda a garrafa que contém a água colorida. 16 RESPONDA − O que ocorre com o nível da água colorida no tubo? Porque isso acontece? − A energia interna da água colorida aumenta, diminui ou não se altera? E sua temperatura? − Houve realização de trabalho? Justifique. − Em qual parte do funcionamento da geladeira ocorre este tipo de fenômeno? Explique. 6. Após certo tempo, transfira o sistema (garrafa-água) para uma vasilha com água gelada – mistura de água e gelo. RESPONDA − O que ocorre com o nível da água colorida no tubo? Porque isso acontece? − A energia interna da água colorida aumenta, diminui ou não se altera? E sua temperatura? − Houve realização de trabalho pelo sistema ou sobre o sistema? Justifique. − Em qual parte do funcionamento da geladeira ocorre este tipo de fenômeno? Explique. Atividade 02 – Expansão ou compressão de um gás e Trabalho mecânico 1. Pegue uma garrafa de plástico de 500 ml e adapte firmemente ao gargalo um balão de borracha de aniversário ligeiramente inflado. Com isso temos certa massa de ar ocupando o volume do recipiente e do balão. 2. Mergulhe totalmente a garrafa numa vasilha com água muito quente. 17 RESPONDA − O que ocorre ao balão? Por que isso acontece? − O que ocorre com o volume do ar ao ser aquecido? E com sua pressão? − Houve realização de trabalho? − Em qual parte do funcionamento da geladeira ocorre este tipo de fenômeno? Explique. 3. Em seguida mergulhe a garrafa numa vasilha com a água gelada (mistura de água e gelo). RESPONDA − O que ocorre ao balão? Por que isso acontece? − O que ocorre com o volume do ar ao ser aquecido? E com sua pressão? − Houve realização de trabalho? − Em qual parte do funcionamento da geladeira ocorre este tipo de fenômeno? Explique. Atividade 03 – Questionamentos A terceira atividade retoma as questões e situação da problematização inicial acrescida de outras situações para que possamos verificar se houve assimilação do assunto por parte do aluno. 18 − Mais ou menos em que época foi inventada a geladeira? O primeiro modelo tinha o mesmo princípio de funcionamento? − Baseando-se apenas em sua memória ou conhecimento que você já tem sobre o assunto, tente descrever todos os aspectos relativos à estrutura e ao funcionamento de uma geladeira doméstica. − Por que razão a serpentina preta colocada na parte de trás de uma geladeira aquece-se durante o funcionamento do motor? − Nos dias muito quentes as geladeiras apresentam a mesma eficiência na refrigeração dos alimentos do que nos dias frios? Explique. − Considere e discuta a seguinte afirmativa: Num dia muito quente, uma pessoa fecha as portas e as janelas do pequeno apartamento onde mora, e deixa a porta de sua geladeira aberta. Você acha que seria uma boa maneira de manter o ambiente numa temperatura agradável sem investir na compra de um ar condicionado? Atividade 04-Funcionamento do refrigerador doméstico O diagrama da figura 9 apresenta esquematicamente a estrutura de um refrigerador. Sem consultar, procure se lembrar das mudanças de estado e das trocas de calor sofridas pelo gás ao longo de um ciclo completo e preencha os espaços onde estão as legendas. Observe que para um formato de legenda você deverá preencher com o Estado do gás (Líquido/Gasoso) e para o outro formato, escrever se o gás recebeu ou perdeu calor. 19 Figura 9 – Diagrama da estrutura de um refrigerador LEGENDA Estado do Gás (Líquido/Gasoso) Trocas de Calor (Transferência de Energia) Fonte: PAULA, Helder de Figueiredo e; PRADO, Johanna Alida E. Knegt Lopes. Refrigeradores como Máquinas Térmicas. Uma proposta de reformulação do ensino de física para o Ensino Médio. Ano 1998. Atividade 05 Após discutir o texto informativo: A Primeira Lei da Termodinâmica, potência e perdas térmicas, os alunos já terão visto que a primeira lei da termodinâmica pode escrita como: Q U W Para aplicar a Primeira Lei da Termodinâmica escrita na forma acima, deve ser observada a seguinte convenção de sinais: − Q será positivo quando o sistema absorve calor, e negativo quando o sistema cede calor. − W será positivo quando o trabalho é realizado pelo sistema, e negativo quando o trabalho é realizado sobre o sistema. Em cada uma das transformações descritas abaixo, decida se os valores de Q, ∆U e W são positivos, negativos ou nulos. Justifique suas respostas, e, se possível, discuta-as com seus colegas. 20 A) Uma amostra de gás é aquecida de 300K a 400K num recipiente hermeticamente fechado. B) Uma amostra de gás ideal inicialmente ocupando um volume de 2m 3 é comprimida até atingir o volume de 1m3, mantendo-se a sua temperatura constante. C) O ar contido no interior de um balão (desses usados em aniversários de crianças) expande-se porque o balão é aquecido. D) Uma amostra de um gás ideal expande-se adiabaticamente de 1m3 para 2m3. E) Certa quantidade de líquido é colocada num recipiente que pode ser considerado como um isolante térmico perfeito. A seguir o líquido é agitado durante algum tempo por meio de uma batedeira elétrica. Atividade 06: Exercícios de fixação Nas questões 1 a 4, preencha as lacunas indicadas escolhendo as palavras adequadas dentre aquelas colocadas entre parênteses no final de cada enunciado. 1) Quando dois objetos a temperaturas diferentes são colocados em contato, há uma transferência _________________ de energia térmica do objeto de _______________ temperatura para o de _____________ temperatura (maior/menor; espontânea). 2) Um significado prático da segunda lei da termodinâmica é que uma dada quantidade de calor não pode ser transformada completamente em _________________. Por exemplo, o trabalho realizado pelas forças de atrito é completamente transformado em calor. Assim, 1000J de energia térmica ____________ realizar 1000J de trabalho. Já 1000J de trabalho ______________ ser transformados em 1000J de calor (trabalho; podem/não podem). 3) A segunda lei da termodinâmica afirma que é ________________ absorver dada quantidade de calor de uma fonte a uma dada temperatura e convertê-la integralmente em trabalho. De acordo com a segunda lei ________________ energia absorvida pela fonte quente precisa ser rejeitada para uma fonte fria, a uma temperatura menor (possível/impossível; parte/nem um pouco). 21 4) Para retirar uma quantidade de calor de uma fonte a uma dada temperatura e transferir esse calor para outra fonte que esteja a uma temperatura mais ________________ é necessário realizar trabalho por meio de uma máquina térmica operando ao contrário, chamada de ________________.Essa transferência de calor __________________ um processo espontâneo(motor/refrigerador; alta/baixa; é/não é). 1.4. Textos informativos É de extrema importância o uso dos textos informativos no segundo momento pedagógico, conhecido como Organização do conhecimento, uma vez que cada texto foi cuidadosamente escolhido para trabalhar de forma mais detalhada determinada parte da termodinâmica. O primeiro texto aborda os aspectos históricos das máquinas térmicas, o segundo e terceiro textos trabalham o funcionamento do refrigerador e o que a geladeira tem. O quarto texto aborda a primeira lei da termodinâmica, potência e perdas térmicas, o quinto texto fala sobre a segunda lei da termodinâmica, o sexto texto aborda a expansão adiabática e mudança de temperatura e o último texto fala do gás de geladeira que ainda preocupa o Ministério do meio ambiente que apesar das indústrias brasileiras não produzirem mais geladeiras com CFC (clorofluorcarbono) – gás usado em refrigeração e que destrói a camada de ozônio, ele ainda exige atenção, porque ainda está presente nas máquinas produzidas antes de 1999. Discute-se, então, nesse texto a relação entre refrigeradores e meio ambiente. 3.4.1 Máquinas térmicas: aspectos históricos1 O refrigerador é um dos inúmeros produtos tecnológicos presentes em nosso cotidiano. Estamos tão acostumados à sua presença e utilização que nem percebemos mais o quanto refrigeradores, congeladores e frigoríficos interferem em nosso modo de vida. Essa interferência não se restringe apenas ao interior de nossas casas. De fato, é muito mais ampla, e pode ser notada em diversos setores de produção, distribuição e conservação dos alimentos. Hoje em dia, modernas 1 O texto foi retirado e adaptado da referência: PAULA, Helder de Figueiredo e; PRADO, Johanna Alida E. Knegt Lopes. Refrigeradores como Máquinas Térmicas. Uma proposta de reformulação do ensino de física para o Ensino Médio. Ano 1998 22 técnicas de refrigeração possibilitam o armazenamento, transporte e conservação dos mais variados alimentos, sem as limitações impostas anteriormente pelas variações de temperatura. Podemos dizer, de maneira geral, que a invenção ou construção de utensílios e máquinas constitui-se numa resposta a uma demanda ou necessidade vivida por um determinado grupo social. A resposta encontrada para uma determinada necessidade estará de acordo com o estágio de elaboração dessa resposta. No entanto, do mesmo modo que o desenvolvimento da ciência leva a um desenvolvimento da tecnologia, as novas descobertas tecnológicas impulsionam a ciência. Existe uma interação constante entre estas duas áreas do conhecimento e da atividade humana. Veremos que a história do refrigerador ilustra bem essa ação recíproca entre ciência e tecnologia. Apresentamos, a seguir, um resumo histórico referente ao tema refrigeração. Nesse resumo fazemos um breve relato de alguns dos fatos que levaram à invenção, construção e popularização dos refrigeradores domésticos, procurando sempre evidenciar as mútuas influências da tecnologia, ciência e sociedade. Desde a idade da pedra a humanidade vem procurando solucionar um problema crucial para a sua sobrevivência: a conservação de alimentos. Algumas culturas antigas descobriram que os alimentos conservam-se melhor em lugares frios que em lugares quentes. Por isso, desde épocas muito remotas, o gelo foi usado para preservar alimentos. Escavações arqueológicas realizadas no vale do Indo mostraram que antigas culturas já conheciam um processo de fabricação de gelo. Estas escavações revelaram diversas “fábricas de gelo”: milhares de formas com tampas, feitas de arenito poroso, sem polimento. Nessas “fábricas” o gelo era obtido do seguinte modo: inicialmente, enchiamse formas com água que eram, posteriormente, tampadas. A seguir, as formas com água eram molhadas com água e então abanadas por uma legião de escravos, provocando assim a evaporação da água derramada por cima das formas. Essa evaporação causava o resfriamento da água do interior das formas até o seu congelamento. Hoje sabemos que a abelha utiliza-se de um mecanismo parecido para refrigerar o interior da colméia. Depositando água em estruturas porosas, as abelhas operárias batem as asas para aumentar a taxa de evaporação, diminuindo a temperatura da estrutura. 23 Na Roma antiga empregava-se gelo para resfriar alimentos e bebidas. O gelo usado era coletado durante o inverno em lagos dos Alpes, embalado em palha e transportado para a capital do Império Romano. O gelo natural foi utilizado para conservar alimentos até 1930: blocos de gelo eram cortados dos lagos e do mar, após o que eram conservados cobertos com serragem, a fim de serem utilizados no verão. De fato, o gelo constituiu um artigo de muita demanda e importante valor comercial a partir da segunda metade do século XIX até o início do século XX, e alguns cientistas almejavam construir uma máquina que fosse capaz de fazer gelo. Assim, no início do século XIX, várias pessoas tentaram projetar refrigeradores mecânicos, mas as bases da tecnologia frigorífica moderna só puderam ser estabelecidas em 1870, após a reformulação dos princípios fundamentais da termodinâmica. Por essa época, na cidade de Munique, Bavaria, a indústria cervejeira enfrentava grandes problemas para evitar que a cerveja se estragasse durante o verão. Em 1879, Karl Von Linde (1848-1920), um jovem professor da Escola Politécnica começou a realizar experimentos com um processo de esfriamento baseado nas trocas de calor entre um gás e o meio ambiente. Após três anos havia desenvolvido o projeto de uma unidade frigorífica de grandes dimensões, instalada com sucesso numa fábrica de cerveja. Essa unidade frigorífica, alicerçada nos princípios fundamentais da termodinâmica, tinha seu funcionamento baseado em compressões e expansões sucessivas da amônia. Os primeiros refrigeradores, usados apenas com finalidades industriais, eram grandes inconvenientes, e como a amônia é uma substância corrosiva e tóxica surgiam vários problemas em caso de vazamentos. Somente em 1913, após vários aperfeiçoamentos, foi construído o primeiro refrigerador doméstico de funcionamento baseado no sistema de compressão, na cidade de Chicago. De fato, a fabricação de refrigeradores domésticos em grande escala somente teve início na década de 1920, nos EUA e em alguns países da Europa. Em localidades sem energia elétrica é utilizado o “refrigerador a fogo”, que utiliza a querosene ou gás GLP como fonte de energia. Esse tipo de refrigerador não tem motor e seu funcionamento baseia-se na mistura e separação da amônia com duas outras substâncias: água e hidrogênio. 24 No Brasil, a popularização da utilização do refrigerador doméstico começou aproximadamente a partir da década de 1950. Em 1989, o Brasil já dispunha de aproximadamente 2 milhões de freezers e 20 milhões de geladeiras alimentados por energia elétrica. As primeiras substâncias usadas como fluidos frigoríficos em sistemas de refrigeração foram a amônia e o dióxido sulfúrico. Tais substâncias eram tóxicas e tinham um odor desagradável. Quando ocorria um vazamento no sistema, as consequências eram potencialmente perigosas. O ideal seria utilizar um líquido inodoro, facilmente evaporável, não venenoso e estável. Em 1930 um químico americano, Thomas Midgley Jr. preparou o freon, (composto químico de carbono, cloro e flúor), da família dos clorofluorcarbonos. Especialmente projetado para as funções de refrigeração em instalações de qualquer porte, o freon parecia ser a solução ideal. As suas vantagens são grande estabilidade química, inércia em relação a explosões e corrosão de matérias plásticas, gordurosas e fibrosas (comumente encontrada nas guarnições das juntas dos refrigeradores), e aparente inocuidade (não é tóxico nem irritante para o sistema respiratório humano). Porém na década de 1970, cientistas começaram a perceber que os gases clorofluorcarbonos, os CFCs, estavam destruindo a camada de ozônio, uma região da atmosfera que protege a Terra das radiações ultravioletas nocivas. Sem essa camada de ozônio, muitas formas de vida não poderiam sobreviver em nosso planeta. 3.4.2 Uma síntese do funcionamento de um refrigerador doméstico2 Um refrigerador doméstico é uma máquina composta basicamente de um fluido refrigerante que é forçado a percorrer um circuito tubular contendo, em regiões distintas, um compressor, um condensador, um tubo capilar (ou uma válvula de expansão) e um evaporador (Figura 10). 2 O texto foi retirado e adaptado da referência: Grupo de Ensino de Física da Universidade Federal de www.ufsm.br/gef/Textos/refrigerador.pdf Santa Maria. Disponível em 25 Figura 10 – Esquema da geladeira Fonte: Grupo de Ensino de Física da Universidade Federal de Santa Maria. Disponível em<www.ufsm.br/gef/Textos/refrigerador.pdf> O fluido refrigerante deve possuir características especiais como, por exemplo, baixa temperatura de vaporização (ou de condensação) com um valor grande para o calor latente correspondente e, ainda, deve requerer pressões relativamente baixas para passar do estado gasoso ao estado líquido, mesmo à temperatura ambiente. O compressor é uma bomba de sucção acionada por um motor elétrico, que retira fluido refrigerante do ramo da tubulação que o antecede, baixando sua pressão e injeta esse fluido refrigerante no ramo da tubulação que o sucede, aumentando sua pressão. Assim, o compressor impulsiona o fluido refrigerante através do circuito tubular. O condensador é constituído por um longo tubo em forma de serpentina comum conjunto de varetas metálicas, formando uma grade radiadora, e está colocado na parte externa traseira do refrigerador. Ao entrar e sair do compressor, o fluido refrigerante tanto pela pressão causada pelo compressor quanto pelo efeito da perda de energia por calor para o meio ambiente, o fluido refrigerante passa ao estado líquido. 26 O tubo capilar é um tubo com um diâmetro interno de cerca de meio milímetro. O fluido refrigerante, que entra no tubo capilar no estado líquido, expandese rapidamente ao sair, passando ao estado gasoso. Esta expansão se dá no evaporador. O evaporador é constituído por um tubo em forma de serpentina acoplado ao congelador. Para passar ao estado gasoso, o fluido refrigerante absorve energia na forma de calor do congelador e de tudo o que estiver ali dentro. Ao abandonar o evaporador, o fluido refrigerante chega ao compressor e o ciclo recomeça. Nos refrigeradores não muito modernos, o congelador está colocado na parte superior para que se formem correntes de convecção internas, possibilitando a misturado ar a baixa temperatura do congelador e de sua vizinhança com o ar a temperatura mais alta das outras partes. Essas correntes de convecção se formam da seguinte maneira. A pressão do ar no interior do refrigerador é uniforme e, por isso, o ar do congelador e de sua vizinhança, estando a uma temperatura mais baixa, é mais denso que o ar das outras partes. Sendo mais denso, esse ar desce, empurrando o ar das outras partes para cima. As prateleiras do refrigerador têm forma de grade para não impedir ou dificultar o movimento de convecção. Nos refrigeradores modernos, o ar a baixa temperatura alcança todo o refrigerador através de um sistema de circulação e, por isso, as prateleiras já são feitas com uma lâmina inteiriça de acrílico. Figura 11– Ciclo de um refrigerador Fonte: Grupo de Ensino de Física da Universidade Federal de Santa Maria. Disponível em<www.ufsm.br/gef/Textos/refrigerador.pdf> No interior do refrigerador, existe um botão de regulagem que permite selecionar a temperatura interna de operação do sistema. Um termostato interrompe 27 o circuito elétrico de alimentação do motor elétrico que faz funcionar o compressor quando essa temperatura é atingida. Com o refrigerador assim desligado, a temperatura do seu interior passa a aumentar por efeito da absorção de energia do ambiente por calor. A partir de certa temperatura, o termostato reconecta o circuito elétrico de alimentação do motor elétrico que faz funcionar o compressor e um novo ciclo de refrigeração tem início. Desta forma, o termostato permite manter uma temperatura mais ou menos constante no interior do refrigerador. Sob o ponto de vista da Termodinâmica, um refrigerador é uma máquina que funciona em ciclos. A Figura 2 representa esquematicamente esse ciclo (contínuo) como dividido em cinco processos. Compressão adiabática: 1 → 2 O compressor aumenta a pressão do fluido refrigerante reduzindo seu volume. Como esse aumento de pressão acontece muito rapidamente, o fluido perde muito pouca energia por calor para a vizinhança e o processo pode ser considerado como sendo adiabático. O trabalho realizado pelo compressor produz um aumento na energia interna do fluido e a sua temperatura aumenta. Durante todo o processo, o fluido permanece no estado gasoso. Resfriamento isobárico: 2 → 3 No condensador, o fluido refrigerante começa a perder energia por calor. Comoo compressor mantém a pressão do fluido alta e constante, seu volume e sua temperatura diminuem. Durante esse processo, o fluido ainda permanece no estado gasoso. Condensação: 3 → 4 Ainda no condensador e a alta pressão, o fluido refrigerante perde mais e mais energia por calor. Com isso, seu volume e sua temperatura diminuem mais e mais e ele passa do estado gasoso para o estado líquido. Expansão adiabática: 4 → 5 O fluido refrigerante no estado líquido e a alta pressão atravessam o tubo capilar. Na saída do tubo capilar, o fluido se expande. Como essa expansão acontece muito rapidamente, o fluido troca muito pouca energia com a vizinhança e o processo pode ser considerado como sendo adiabático. A pressão e a temperatura do fluido diminuem e parte do fluido se vaporiza. Assim, na saída do tubo capilar, o 28 fluido se apresenta como gotículas de líquido suspensas em vapor a baixa pressão. A baixa pressão depois do tubo capilar é um efeito do funcionamento do compressor, que retira fluido no estado gasoso desta parte do circuito para comprimi-lo no condensador. Vaporização isobárica: 5 → 1 No evaporador, a uma pressão baixa e constante, as gotículas remanescentes são vaporizadas, absorvendo energia por calor do congelador e de tudo o que está dentro dele. Saindo do evaporador, o fluido se apresenta totalmente no estado gasoso e à baixa pressão indo para o compressor. FLUIDOS REFRIGERANTES Até por volta de 1930, eram usados como fluidos refrigerantes principalmente amônia (NH3), o butano (C4H10), o isobutano [HC (CH3)3], o propano (C3H8), o dióxido de enxofre (SO2) e o cloreto de metil (CH3Cl). Contudo, como são substâncias tóxicas e/ou explosivas, podendo colocar em risco a vida humana em caso de vazamento, foram abandonadas (exceto em algumas aplicações mais ou menos especializadas) e substituídas pelos clorofluorcarbonetos (CFC’s). A amônia, em particular, sendo o fluido de maior efeito refrigerante, continua sendo utilizada em instalações de grande porte como fábricas de gelo, armazéns frigoríficos, equipamentos de refrigeração industrial e em pistas de patinação, onde conta o fator energético e onde podem ser implementados procedimentos de segurança. Além de equipamentos de refrigeração, os CFC’s passaram a ser usados em aparelhos condicionadores de ar, em borrifadores (sprays), na fabricação de espuma de poliestireno (isopor) e em uma série de outros produtos. Os CFC's são compostos orgânicos cujas moléculas contêm carbono e flúor e, em muitos casos, outros halogênios, principalmente o cloro apresenta-se no estado líquido ou gasoso a temperatura ambiente e são não tóxicos, incolores, sem cheiro, não inflamáveis e não corrosivos. Desde a sua criação, os CFC’s foram liberados na atmosfera sem maiores preocupações porque eram considerados gases seguros e estáveis. O dano na camada de ozônio causado pelos CFC's foi descoberto na década de 1970. Então, acordos internacionais foram estabelecidos para eliminar progressivamente o uso desses produtos e foram desenvolvidos, para serem usados numa fase intermediária 29 de transição, os hidroclorofluorcarbonos (HCFC's), compostos à base de hidrogênio, cloro, flúor e carbono, que danificam muito menos acamada de ozônio. Atualmente, são usados como fluidos refrigerantes principalmente misturas binárias de CFC's com HFC's (hidrofluorcarbonos) ou com HCFC's. O objetivo final é manter apenas os HFC's, compostos de hidrogênio, flúor e carbono, que não causam dano à camada de ozônio. 3.4.3 O que a geladeira tem?3 As paredes da geladeira. Quanto mais eficiente o isolamento térmico proporcionado pelas paredes da geladeira, menor será a necessidade de acionamento do motor e proporcionalmente menor será o gasto de energia elétrica. Com o avanço da tecnologia, a espessura das paredes de uma geladeira doméstica diminuiu consideravelmente. Entretanto, tais paredes ainda são bastante espessas e, por essa razão, há uma notável diferença entre os volumes interno e externo da geladeira. Dentro das paredes de uma geladeira, há isopor, lã de vidro e outros materiais que têm em comum o fato de serem péssimos condutores de calor. Outro item essencial ao bom isolamento térmico da geladeira diz respeito à vedação das portas. Além de inclinar a geladeira para trás, colocando os pés da frente mais altos do que os pés de trás, usa-se, também, borracha imantada para manter a vedação. Em casas de conserto de refrigeradores, você poderá ganhar borrachas de vedação usadas. Corte-as para encontrar os ímãs de borracha utilizados para vedação. A tubulação onde circula a substância refrigerante. Na parte de trás de uma geladeira, há uma tubulação pintada de preto e em forma de serpentina. Trata-se do radiador ou condensador da geladeira. Dentro do radiador da grande maioria dos refrigeradores produzidos atualmente circula uma 3 O texto foi retirado e adaptado da referência: PAULA, Helder de Figueiredo e; PRADO, Johanna Alida E. Knegt Lopes. Refrigeradores como Máquinas Térmicas. Uma proposta de reformulação do ensino de física para o Ensino Médio. Ano 1998. 30 substância refrigerante chamada freon. Durante o funcionamento do motor, o freon libera calor para o ambiente através do radiador. Em função do aquecimento do radiador, algumas pessoas costumam colocar roupas ou outros objetos sobre ele para que possam secar com o auxílio do calor que os radiadores liberam. Os manuais dos refrigeradores, entretanto, nos orientam a não procedermos dessa forma, pois para garantir o bom funcionamento desses aparelhos, não devemos dificultar o processo de troca de calor entre o freon que circula dentro da tubulação e o ambiente externo ao aparelho. Pela mesma razão, é necessário manter certo afastamento do radiador em relação à parede, de tal forma a facilitar a circulação de ar e permitir o rápido resfriamento do freon que circula pelo interior da tubulação. É possível observar com facilidade o fato de que uma das extremidades da tubulação do radiador está ligada diretamente ao motor, enquanto a outra está ligada a uma pequena ampola cilíndrica, na realidade um filtro, que termina em um tubo bem mais fino e inicialmente retorcido. O motor comprime e empurra o freon para dentro do radiador, obrigando-o a circular por toda a serpentina. Após circular por todo o radiador, o freon passa pelo filtro e pelo tubo fino ou capilar. Através do capilar, a substância refrigerante que acabou de circular pelo radiador vai para uma serpentina colocada no interior de placas que constituem o que chamamos de “congelador”. O congelador. Dentro das paredes do congelador há uma extensa serpentina. Nas geladeiras mais antigas, era possível observar com mais facilidade o tubo em serpentina em contato com as paredes. Hoje em dia, os tubos costumam ser substituídos por canais não necessariamente cilíndricos e inscritos na própria parede. No caso de geladeiras “duplex” e freezers, sequer podemos observar a placa metálica, que contém a serpentina, é colocada no plano vertical e costuma estar oculta. Observando com cuidado o congelador de uma geladeira comum, podemos ver que há dois tubos entrando e saindo das paredes do congelador. Um deles é o tubo capilar através do qual o freon entra nos canais do congelador depois de ter passado pelo condensador. O outro, com diâmetro aparente bem maior é o tubo através do qual o motor produz a sucção que levará o freon de volta ao radiador (ou condensador), repetindo o ciclo de seu movimento. 31 A circulação do ar no interior da geladeira. O congelador fica na parte superior da geladeira. O ar que se encontra próximo ao congelador entra em contato com suas paredes metálicas. Dentro da serpentina, colada ou inserida nas paredes metálicas do congelador, circula o freon (ou outra substância refrigerante). Através do contato das paredes metálicas do congelador, o ar cede calor ao freon e tem sua temperatura diminuída. Sabemos que o ar frio torna-se mais denso. Estando mais frio e mais denso, o ar que acaba de entrar em contato com as paredes do congelador move-se em direção ao fundo da geladeira, deslocando o ar menos frio e menos denso que antes ocupava esse espaço. Enquanto desce em direção ao fundo, o ar que havia sido resfriado no congelador tende a atingir o equilíbrio térmico com os alimentos e outros objetos colocados em seu caminho. Por essa razão, o ar descendente recebe calor dos alimentos e eleva sua temperatura no mesmo momento em que o ar que foi deslocado para o interior do congelador é refrigerado e tem sua temperatura diminuída. Essa circulação de ar no interior da geladeira acontece de forma mais intensa quando o motor está funcionando. O fato do ar mais denso e frio começar a descer a partir do congelador, absorvendo progressivamente calor dos alimentos com os quais entra em contato durante a descida, explica por que os alimentos colocados mais próximos ao congelador são mais refrigerados do que aqueles colocados na parte inferior da geladeira. Longe de constituir-se em um problema, tal refrigeração desigual permite dispor alimentos mais resistentes às baixas temperaturas na parte de cima da geladeira, enquanto outros menos resistentes (como as verduras) são colocados na parte inferior. Na geladeira, há diversos compartimentos diferentes para colocação dos alimentos. As prateleiras têm a forma de grade, pois é muito importante facilitar a circulação do ar. Com exceção de alguns tipos modernos de geladeira, nas quais o ar circula através de frestas localizadas nas paredes laterais, não se pode tampar os espaços das prateleiras em forma de grade sob pena de prejudicar o processo de troca de calor entre alimentos colocados no interior da geladeira e o freon que circula na tubulação do congelador. Umidade do ar, preservação dos alimentos e economia de energia. 32 Nas geladeiras domésticas mais comuns, a umidade do ar contida em seu interior condensa-se e solidifica-se sobre as paredes do congelador. Por essa razão, o ar no interior da geladeira tende a se tornar muito seco. O alimento tende a desidratar-se em função do aumento da velocidade da evaporação da umidade que ele contém. Um pedaço de queijo, por exemplo, desidrata-se e endurece quando não está acondicionado ou envolvido por materiais impermeáveis como o plástico. A boa vedação da porta e a limitação do tempo em que ela fica aberta são cuidados muito importantes do ponto de vista da economia de energia elétrica. Ao abrirmos a porta, há entrada e saída de ar do interior da geladeira. O ar mais quente e mais úmido que entra precisará ser refrigerado e exigirá maior tempo de funcionamento do motor. O tempo de funcionamento do motor é controlado em função do monitoramento da temperatura do congelador. O aparelho responsável por esse controle é chamado termostato. A parte mais visível do termostato é o botão que pode ser girado para controlar o intervalo de tempo ou a frequência com a qual o motor será posto em funcionamento. Funcionando durante intervalos de tempo maiores, o motor poderá manter temperaturas mais baixas. Toda vez que a temperatura próxima ao congelador se eleva acima de certo valor de referência, o termostato aciona o motor para que o freon possa circular pela tubulação e refrigerar o interior da geladeira. Nos dias muito quentes, justamente quando são mais solicitadas, as geladeiras apresentam menor eficiência na refrigeração dos alimentos. Isto se deve a diversos fatores, a começar pela maior temperatura inicial dos alimentos submetidos à refrigeração. Outra razão importante, diz respeito à maior dificuldade da substância refrigerante liberar calor para o ambiente. Afinal, quanto maior a temperatura ambiente, mais difícil torna-se a passagem de calor do freon que circula no radiador para o ar atmosférico. Por essa razão, não é apropriado colocar refrigeradores em lugares muito quentes ou com seus radiadores expostos ao sol. Pela mesma razão, como já dissemos anteriormente, também não se deve colocar roupas ou outros objetos sobre o radiador dos refrigeradores. 33 3.4.4 A Primeira Lei da Termodinâmica, potência e perdas térmicas4. Na natureza, o Sol fornece o calor necessário para que o ar, a água e o carbono tenham um ciclo. Também é devido à luz do Sol que as plantas realizam fotossíntese, absorvendo gás carbônico e produzindo material orgânico e oxigênio. Num processo inverso o homem inspira o oxigênio, liberando CO2, água e calor necessários à planta. Também transformamos energia em nossas residências, nas indústrias e no lazer, sempre buscando o nosso conforto. Na cozinha, por exemplo, a queima do gás butano transforma energia química em térmica utilizada para cozinhar alimentos, que serão os combustíveis do nosso corpo. O compressor de uma geladeira faz o trabalho de comprimir o gás refrigerante que se condensa e vaporiza, retirando nessas transformações calor do interior da geladeira, liberando-o para o exterior. Transformamos a energia química do combustível em energia cinética nos transportes. Também é do combustível que provém à energia que aquece a água e o vapor nas termoelétricas para a produção de energia elétrica. Em todas essas situações a energia assume diferentes formas. No total a energia se conserva. No estudo das máquinas térmicas: da turbina a vapor, do motor a combustão e da geladeira, podemos verificar que é possível calcular o trabalho produzido a partir de uma quantidade de calor fornecida: Q U W Esse primeiro princípio nos diz que a energia num sistema se conserva. Mas, se a energia nunca se perde, porque temos que nos preocupar com seu consumo? Não podemos nos esquecer de que parte da energia utilizada para realizar um trabalho é transformada em calor. Não conseguimos, por exemplo, mover um carro sem que seu motor esquente. Essa parcela de energia transformada em calor não pode ser reutilizada para gerar mais trabalho. Temos que injetar mais 4 O texto foi retirado e adaptado da referência: GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO DA FÍSICA - GREF. Física Térmica. São Paulo: EDUSP, 1998. 34 combustível para que um novo ciclo se inicie. Numa hidrelétrica, a energia potencial da queda d'água só estará novamente disponível porque o ciclo da água, que conta com o Sol como "fonte inesgotável de energia", se repete. Mais ou menos cerca de 75% da energia fornecida à um motor a combustão é perdida. Lembre-se do 1º Princípio da Termodinâmica: Q W U Para 100 unidades de quantidade de calor (Q) realizamos 25 unidades de trabalho (W) e perdemos 75 unidades em variação da energia do sistema (U). Como gastamos muita energia numa máquina térmica, e a gasolina não é barata, nos preocupamos em saber qual a potência da máquina e o seu rendimento. Definimos rendimento como a razão entre o trabalho produzido e a energia fornecida. Se toda energia fosse transformada em trabalho o rendimento seria 1 ou 100%. Isso nunca acontece. Assim, uma máquina potente é a que realiza "mais trabalho" numa unidade de tempo, isto é, tem um rendimento maior. Para aumentar o rendimento de um motor à combustão, os construtores aumentam a razão entre o volume máximo e mínimo dentro do cilindro, ocupado pela mistura combustível. Se a mistura é bastante comprimida antes de explodir, a pressão obtida no momento da explosão é maior. Além disso, o deslocamento do pistão é tanto maior quanto maior a razão entre o volume máximo e mínimo. Em outras palavras, aumentar o rendimento de um motor corresponde a aumentar as variações de pressão e de volume, o que corresponde no diagrama PxV a um aumento da área interna delimitada pelo ciclo. Essa área representa o trabalho realizado pela máquina em cada ciclo. Se numa transformação gasosa considerarmos constante a pressão P entre os estados 1 e 2 termos o gás variando o seu volume de V1 para V2 e exercendo uma força F no pistão de área A. Figura 12 – Diagrama PxV Fonte: GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO DA FÍSICA - GREF. Física Térmica. São Paulo: EDUSP, 1998 35 Quando se diz que um carro é 1.6 ou 1.8 estamos nos referindo a sua potência, fornecendo o volume do interior do cilindro disponível para ser ocupado pela mistura combustível na admissão. Tal como no motor a combustão, a geladeira trabalha com uma substância de operação, tem partes que funcionam a altas temperaturas (fonte quente) e a baixas temperaturas (fonte fria). Enquanto na turbina e motor o calor flui espontaneamente da fonte quente para a fria (água de refrigeração e atmosfera), na geladeira fluxo de calor não é espontâneo. Na geladeira a troca de calor se dá do mais frio (interior da geladeira) para o mais quente (meio ambiente). Para que isso ocorra realiza-se um trabalho externo sobre o freon para que ele perca calor no condensador e se evapore no congelador. Em cada ciclo, a quantidade de calor cedida para o meio ambiente através do condensador é igual à quantidade de calor retirada do interior da geladeira, mais o trabalho realizado pelo compressor. Na geladeira é o trabalho externo do compressor que faz com que o calor seja retirado do interior da geladeira. Q condensador = Q congelador + W compressor 3.4.5 A segunda Lei da Termodinâmica5 Numa época em que os fundamentos teóricos da termodinâmica ainda não estavam bem determinados, coube ao jovem físico e engenheiro militar francês Nicolas Léonard Sadi Carnot estabelecer, pela primeira vez em bases teóricas, a impossibilidade de que certos processos ou fenômenos térmicos acontecessem, ainda que respeitassem a lei Geral da Conservação da Energia. Carnot estava envolvido com o estudo teórico das máquinas térmicas capazes de produzir trabalho, e concebeu uma máquina ideal que lhe permitiu compreender como as máquinas térmicas eram capazes de produzir movimento a partir de calor. Na época de Carnot os refrigeradores ainda não existiam, todavia a máquina térmica imaginada por Carnot pode ser convertida em um refrigerador bastando, para isso, inverter os processos térmicos implicados em seu funcionamento. 5 O texto foi retirado e adaptado da referência: PAULA, Helder de Figueiredo e; PRADO, Johanna Alida E. Knegt Lopes. Refrigeradores como Máquinas Térmicas. Uma proposta de reformulação do ensino de física para o Ensino Médio. Ano 1998. 36 O jovem Carnot tinha total clareza acerca da importância do estudo da “potência motriz do fogo” em sua época. No tratado que escreveu sobre o assunto em 1824, ele apresentou argumentos de natureza social, econômica e política para destacar tal importância. As primeiras máquinas térmicas construídas e conhecidas eram tremendamente ineficazes. Esse é o caso, por exemplo, das máquinas utilizadas para bombeamento de água concebido por Newcomem. Em função de sua ineficiência, apenas uma pequena fração do calor absorvido pela substância de operação podia ser convertida em trabalho útil. Mas qual seria, exatamente, a origem da ineficiência das máquinas térmicas?Afinal, qual o rendimento máximo permitido a uma máquina térmica, ainda que fosse apenas teórica e impossível de ser construída com a tecnologia existente na época de Carnot? Carnot respondeu a essa questão de maneira brilhante e definitiva. Imaginou uma máquina térmica na qual um gás ideal seria utilizado como o sistema de operação capaz de absorver calor de uma fonte quente e transformar calor em trabalho útil. Apesar de teórica, a máquina de Carnot permitiu à ciência alcançar duas conclusões fundamentais: “É impossível construir uma máquina térmica que, operando em ciclos, transforme em trabalho todo calor a ela fornecido”; Ou “É impossível a construção de um dispositivo que, operando em ciclos, produza como único efeito a transferência de calor de um corpo frio a um quente”. Essas duas afirmações são dois enunciados alternativos da segunda lei da termodinâmica. 3.4.6 Expansões adiabáticas e mudanças de temperatura6 Por definição, uma transformação adiabática é aquela na qual não ocorre transferência de calor entre determinado sistema e o ambiente que o cerca. A rigor, as transformações adiabáticas só poderiam ocorrer para sistemas totalmente 6 O texto foi retirado e adaptado da referência: PAULA, Helder de Figueiredo e; PRADO, Johanna Alida E. Knegt Lopes. Refrigeradores como Máquinas Térmicas. Uma proposta de reformulação do ensino de física para o Ensino Médio. Ano 1998. 37 isolados como é o caso da garrafa térmica ideal. Alguns processos reais, transformações sofridas pela substância envolvida acontecem sem uma efetiva troca de calor com o ambiente que a cerca. Esse é o caso, por exemplo, do líquido a alta pressão contido no interior de um frasco de desodorante aerossol. Ao pressionarmos a válvula do aerossol, permitimos que a substância no interior do frasco a alta pressão empurre o ar atmosférico. Nesse processo, a substância sofre uma rápida diminuição de temperatura, além de projetar-se na forma de pequenas gotículas para o espaço exterior ao frasco. Uma expansão adiabática simples na qual uma substância em expansão sofre um efeito de diminuição de temperatura semelhante àquele descrito para o caso do aerossol citado no item anterior, encontra-se ilustrada na figura abaixo. Para realizar a experiência sugerida na figura, coloque a palma da mão em frente a sua própria boca. Faça o ar passar por uma pequena abertura feita em seus lábios e sinta sua temperatura com a palma da mão. Agora, abra mais os lábios e sopre novamente o ar em direção à palma da mão. Você percebe a diferença na temperatura do ar ao comparar as duas situações? Figura 13 – Expansão Adiabática Fonte: www.físicaevestibular.com.br Se você possuir um aerossol não tóxico e não poluente poderá fazer uma exploração adicional. Os aerossóis normalmente contêm CFC’s que agridem a camada de ozônio e, quando possuem esse componente, devem ser evitados por uma questão de “consciência ecológica”. Ao dirigir o jato de aerossol contra o fundo de uma lata de alumínio aberta, podemos sentir o resfriamento tanto da lata de alumínio quanto da lata de aerossol. 38 3.4.7 Gás de geladeira ainda preocupa o Ministério do Meio Ambiente7 Apesar das indústrias brasileiras não produzirem mais geladeiras, arcondicionado e até mesmo aerossol com CFC (clorofluorcarbono) – gás usado em refrigeração e que destrói a camada de ozônio, ele ainda exige atenção, porque ainda está presente nas máquinas produzidas antes de 1999, como geladeiras. Para evitar a liberação dos gases dessas máquinas, o Ministério do Meio Ambiente está capacitando técnicos em refrigeração para lidar com as máquinas velhas. Em parceria com o SENAI, a iniciativa está em teste em São Paulo. No projeto, os técnicos aprendem a não liberar o gás na atmosfera e levá-lo para uma central de regeneração, local onde é reciclado e pode ser usado novamente. “É muito comum criar gelo no congelador e, às vezes, a pessoa vai com uma faca para tirar o gelo e acaba furando e liberando esse gás. Outra coisa, é que se a geladeira estragar, tomar cuidado para que o técnico que vai consertar seja muito cuidadoso para não liberar sem necessidade esse gás. Estamos treinando os refrigeristas para que eles evitem ao máximo liberar esse gás”, afirmou o diretor de qualidade ambiental do ministério, Rui de Góis, em entrevista à Rádio Nacional da Amazônia. Solto na atmosfera, o CFC provoca buracos na camada de ozônio – responsável por impedir a entrada dos raios ultravioleta do sol na Terra. A exposição excessiva a esses raios pode causar câncer de pele, glaucoma, e afeta diversos animais e plantas. Segundo Góis, a ideia é capacitar 35 mil profissionais nos próximos anos. Ele informou que o ministério está também buscando soluções para quem vive em comunidades onde não existem técnicos em refrigeração. “Quem tem uma geladeira num lugar que não tem centro de manutenção próximo, é muito difícil ter um mecânico que vá até lá, traga um cilindro para carregar o gás e injetar o gás novo dentro da geladeira”, explicou o diretor. Em 1987, diversos países, por meio do Tratado de Montreal, firmaram o compromisso de substituir os gases CFC pelo HFC (hidrofluorcarbono), que não agridem a camada de ozônio. 7 O texto foi retirado e adaptado da referência: Jornal Ambiente Brasil: <noticias. ambientebrasil.com. br/?p=18347>>. Acesso em 15abril de 2013. 39 REFERÊNCIAS A geladeira. Banco Internacional de Objetos Educacionais. Disponível em<http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/handle/mec/17467>. Acesso em 28 fev. 2013. DELIZOICOV; Demétrio; ANGOTTI, José A. Física. 2. ed. São Paulo: Cortez, 2003. GÁS da geladeira ainda preocupa o Ministério do Meio Ambiente. Ambiente Brasil. Disponível em http://noticias.ambientebrasil.com.br/clipping/2005/03/13/ 18347-gasde-geladeira-ainda-preocupa-o-ministerio-do-meio-ambiente.html. Acesso em 15 abr. 2013. HOSOUME, Yassuko; MENEZES, Luís Carlos de (Coord.). GREF: GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO DA FÍSICA. Física Térmica. São Paulo: EDUSP, 1998. HOSOUME, Yassuko; MENEZES, Luís Carlos de (Coord.). GREF: GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO DA FÍSICA. Física Térmica. São Paulo: EDUSP, 2005. MÁQUINAS térmicas, 03 mar.2009. Disponível em: <http://crv.educacao.mg.gov.br/sistema_crv/index.aspx?ID_OBJETO=103119&tipo= ob&cp=780031&cb=&n1=&n2=Roteiros%20de%20Atividades&n3=Ensino%20M%C3 %A9dio&n4=F%C3%ADsica&b=s> .Acesso em 28 fev. 2013. MINAS GERAIS. Secretaria de Estado da Educação. Proposta curricular de física do ensino médio (CBC). Belo Horizonte: 2007. Disponível em: <http://crv.educacao. mg.gov.br/SISTEMA_CRV/banco_objetos_crv/E991B45A2C3C46CBADE0306C700 EC80C712013152742_READEQUA%C3%87%C3%83O%20DO%20CBC%20DE%2 0F%C3%8DSICA%20%282%29. Pdf>. Acesso em 28 fev. 2013. PAULA, Helder de F.; ALIDA, Johanna. Refrigeradores Como Máquinas Térmicas. Projeto de reformulação curricular e de capacitação de professores do ensino médio da rede estadual de Minas Gerais, 1998. UMA síntese do funcionamento de um refrigerador doméstico. GEF-UFSM. Disponível em: <www.ufsm.br/gef/textos/refrigerador.pdf>. Acesso em 15 de Abr. 2013.
