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INTRODUÇÃO
Prof. Cesar Ricardo Weschenfelder
Histórico
 Em 1902 que Willis Carrier, um engenheiro de
25 anos formado pela Universidade de Cornell,
nos EUA, inventou um processo mecânico para
condicionar o ar. O controle do clima
finalmente foi colocado em prática, na verdade,
para resolver o problema de uma empresa de
impressão em dias quentes de Nova York, onde
foi feita a primeira instalação por Carrier.
Histórico
 Ele teorizou que poderia retirar a umidade da fábrica
através de resfriamento do ar por dutos
artificialmente resfriados. Esse mecanismo, que
controlava a temperatura e umidade, foi o primeiro
exemplo de condicionador de ar contínuo por
processo mecânico. Desse modo, a indústria têxtil,
que também tinha grande necessidade de controle
ambiental, foi o primeiro grande mercado para o
condicionador de ar.
Histórico
 Willis Carrier ao lado de sua invenção: o primeiro
aparelho de ar condicionado da história.
Histórico
 Porém, foi em 1906 que surgiu o termo “ar-
condicionado”, com Stuart Cramer. O também norte-
americano criou o seu próprio aparelho a fim de explorar
formas de adicionar umidade ao ar em sua fábrica de
tecidos, usando-o em um pedido de patente efetuado
naquele ano. Carrier acabou adotando também o termo e
incorporou-o no nome da sua empresa.
 Os primeiros aparelhos de ar condicionado, assim como
os frigoríficos, empregavam gases tóxicos ou inflamáveis
como a amônia, o clorometano e o propano, o que
poderia resultar em acidentes fatais se houvesse um
vazamento.
Histórico
 1910
 A invenção demorou a se popularizar porque, em um
primeiro momento, seus inventores ainda não tinham
percebido o potencial daquelas máquinas de ar frio. A
primeira aplicação residencial do ar-condicionado foi feita
em uma mansão de Minneapolis, no ano de 1914.
 No mesmo ano, Carrier instalou o primeiro
condicionador de ar hospitalar, no Allegheny General
Hospital de Pittsburgh. O sistema introduzia umidade
extra em um berçário de partos prematuros, ajudando a
reduzir a mortalidade causada pela desidratação.
 Em 1919, o cinema Riviera, em Chicago, convidava os
espectadores para sua “fábrica de congelamento”.
Histórico
 1920
 Quatro anos depois, em 1923, uma loja de departamento
em Detroit, nos EUA, instalou três condicionadores de ar
que atraíram multidões de consumidores. Foi nesse
período que o ar-condicionado começou a ser instalado
em locais públicos.
 O aparelho teve seu ápice no ano de 1922, no Grauman’s
Metropolitan Theatre, em Los Angeles, e tornou-se uma
peça fundamental para o crescimento da indústria
cinematográfica, pois, nos meses de verão, a frequência
dos cinemas caía muito, levando ao fechamento de várias
salas.
Histórico
 1920
 Em Nova York, o cinema Tivoli, aberto desde 1921,
ganhou em 1924 um ar-condicionado que o tornou
famoso. As pessoas faziam fila na porta, mais para
aproveitar o geladinho do cinema da Oitava Avenida do
que para ver os filmes.
 Os aparelhos também chegaram aos escritórios ainda
nesse período. Foram climatizados a Câmara dos
Deputados dos EUA, em 1928, e o Senado Americano, em
1929.
 Além disso, no final da década, a Carrier já vendia um
modelo caseiro, mas a Grande Depressão, período de
recessão econômica, esfriou os negócios.
Histórico
 1930
 Aparelhos de ar condicionado foram instalados em escritórios
executivos da Casa Branca em 1930, tornando mais agradável
o trabalho no verão quente e úmido de Washington.
 Ainda nos EUA, os vagões da ferrovia B&O foram os primeiros
veículos de passageiros a possuírem condicionadores de ar,
também no ano de 1930.
Histórico
 1930
 Nessa época, Willis Carrier desenvolveu um sistema que
viabilizou o ar-condicionado em arranha céus. A distribuição
do ar em alta velocidade através de dutos “Weathermaster”,
criada em 1939, economizava mais espaço do que os sistemas
utilizados na época. Nesse mesmo ano os sistemas HVAC
apareceram nos automóveis; caros, enormes e relativamente
ineficazes.
 Apesar dessa evolução no setor, a crise na economia e a
Segunda Guerra Mundial provocaram queda nas vendas do
aparelho.
Histórico
 1940
 Somente depois desses conflitos o ar-condicionado doméstico
começou a ser adotado em massa. Teatros, bares e escritórios
passaram a ser planejados como ambientes fechados.
 Na Flórida, nos EUA, hotéis foram erguidos inclusive com
janelas pequenas, pé-direito baixo e condicionadores ligados na
potência, revelando a adaptação dos lugares para receberem a
tecnologia da climatização.
Histórico
 1950
 A retomada do crescimento do setor levou ao
desenvolvimento da primeira produção em série de unidades
centrais de ar condicionado para residências, feita em 1952
pela Carrier. O estoque completo foi vendido em apenas duas
semanas, tornando mais comum a utilização do aparelho nas
residências.
 Além disso, em 1957, o primeiro compressor rotativo foi
introduzido, reduzindo o tamanho do aparelho e tornando-o
mais leve e silencioso.
Histórico
 1960
 Na década seguinte, o ar-condicionado já não era mais
novidade. A partir disso, se inicia um mercado de amplitude
mundial em constante expansão, com muito espaço para
desenvolvimento tecnológico e novidades em produtos, que
vai até os dias de hoje.
 O custo dos aparelhos também foi ficando mais acessível,
devido ao boom na década anterior.
Histórico
 1970
 Os modelos janela começam a surgir no mercado ainda em
uma estrutura simples, porém de grande valia para época,
composta basicamente pela condensadora, bobinas e
ventilador. Inicialmente eles usavam o fluido R-12, vulgarmente
conhecido como Freon-12, para refrigerar o ambiente.
 Em 1977, novas bombas de calor começam a operar com
temperaturas exteriores mais baixas, permitindo a climatização
no ciclo reverso.
Histórico
 1980
 Os beneficiados da vez são os automóveis, ou melhor, os
motoristas e passageiros. É a partir da década de 80 que os
sistemas de ar condicionado automotivo se tornam acessíveis,
pequenos e banais; sendo facilmente instalados nos veículos e
tirando o aparelho da lista de itens de luxo.
Histórico
 1990
 O Freon (CFC), comumente utilizado até então, vira alvo da
hipótese, não comprovada, de causar a destruição da camada
de ozônio e passa a ser proibido em vários países. Apesar de o
Protocolo de Montreal (que determina a redução de
“substâncias nocivas” à camada) ser assinado em 1987, é na
década de 90 que “ações sustentáveis” ganham força no setor
de climatização.
 Marcas como a Honeywell e Carrier desenvolvem
refrigerantes que são mais amigos do meio ambiente para
serem utilizados nos modelos de ar-condicionado.
Histórico
 OBS: A histeria com a camada de ozônio coincidiu com a
quebra de patentes dos CFCs.
 A lei estipula que depois de um tempo, uma invenção se torna
de domínio público e todos podem usá-la sem pagar mais nada
ao inventor, isso se chama “quebra de patente”, quando o
inventor perde o direito de cobrar royalties pelo uso de sua
invenção.
 No final da década de 80 muitas patentes começaram a se
tornar públicas. Dentre elas, as dos gases CFCs.
Histórico
 2000
 A tecnologia em constante evolução permitiu o
desenvolvimento dos modelos Split, separando o ar-
condicionado em unidade interna e externa e conquistando
seu espaço principalmente nas residências. Em 2003, por
exemplo, segundo dados da Abrava, 60% dos aparelhos
residenciais no Brasil eram janela e 40% Split.
 Em seguida, a tecnologia inverter também ganhou o gosto dos
usuários, por oferecer pouca oscilação de energia e
proporcionar economia nos gastos.
Histórico 2010
 Nesses últimos anos, o Split segue o status de “queridinho” da
população, considerando que 72% das residências e
empreendimentos com ar-condicionado utilizavam o Split em
2013.
 Além disso, a inovação tem possibilitado inúmeros avanços no
surgimento de novos modelos de aparelhos, como podemos
acompanhar um pouco dentro da história do ar-condicionado.
A busca por equipamentos cada vez mais potentes e ao
mesmo tempo econômicos revelam um futuro que visa a
eficiência energética a baixo custo e acessível a todos.
Introdução
 As instalações de ar condicionado no Brasil são regidas pela Norma
Brasileira NBR-6401 (lnstalações centrais de ar condicionado para
conforto), que estabelece as bases fundamentais para elaboração dos
projetas. das especificações, termo de garantia e aceitação das
instalações.
 Condicionar o ar em um recinto significa submetê-lo a certas
condições, compatíveis com o objetivo da instalação,
independentemente das características exteriores. Assim, podemos
condicionar o ar para o conforto, para um melhor desempenho ou
durabilidade de equipamentos ou processos.
 De um modo geral, o condicionamento do ar controla as seguintes 
propriedades:
• temperatura;
• umidade relativa;
• velocidade;
• pureza.
Introdução
 Uma instalação de ar condicionado pode ser considerada um
sistema aberto, no sentido termodinâmico, no qual são
mantidas as condições desejadas no recinto:
Introdução
 O fluido utilizado é o próprio ar que é refrigerado e tratado
em um outro subsistema fechado, que é o ciclo de
refrigeração.
 O ar refrigerado é introduzido no recinto onde se mistura
com o ar contido no ambiente e essa mistura gasosa,
devidamente controlada em seu fluxo, temperatura, umidade e
pureza, dará as condições de conforto.
Introdução
 O subsistema definido como ciclo de refrigeração, através do
fluido frigorígeno, realiza as transformações termodinâmicas
necessárias para absorver o calor diretamente do ar com o
qual é posto em contato (sistema de expansão direta) ou
indiretamente através da água (sistema de expansão indireta).
 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Primeira Lei da Termodinâmica
 Uma energia aplicada a um sistema pode produzir
modificações no aspecto físico ou químico, embora não
seja uma substância.
 A energia pode ser definida em um sentido mais geral
como a "capacidade de produzir trabalho".
 “Energia não pode ser criada nem destruída“.
Primeira Lei da Termodinâmica
 A lª Lei da Termodinâmica estabelece, de uma
forma geral, que, quando uma energia é
transferida ou transformada em qualquer outra
forma, a energia final total é igual à energia inicial
menos a soma de todas as energias envolvidas no
processo.
Primeira Lei da Termodinâmica
 Essa lª Lei da Termodinâmica não pode ser demonstrada
matematicamente e sim por meio de observações
experimentais. Por meio do balanço energético envolvido
nos sistemas, podemos concluir a primeira lei.
 Aplicando-se a lª lei a um sistema, podemos dizer que a
energia adicionada ao sistema é igual à diferença entre a
energia final e a energia original do sistema.
 Então, a compreensão da 1ª lei exige conhecimento da
forma de energia adicionada ao sistema, assim como as
formas de energia resultantes das transformações.
Primeira Lei da Termodinâmica
 Para que uma energia possa ser adicionada a um sistema
deve haver uma força atuante ou um potencial que
causará a transposição das vizinhanças do sistema.
 Há três tipos de potenciais: forças mecânicas, forças
elétricas e temperatura. As energias associadas com esses
potenciais são: trabalho, energia elétrica (ou trabalho
elétrico) e calor.
Primeira Lei da Termodinâmica
 Trabalho é definido como o produto da força pela
distância onde esta força atua.
 Essa definição implica que a força cause um deslocamento
e só a componente da força na direção do deslocamento
atua na produção do trabalho.
 Assim a equação do trabalho realizado:
 𝑊 = 𝐹. 𝑑
Primeira Lei da Termodinâmica
 Energia elétrica (trabalho elétrico) é definida ao longo do
tempo como igual ao produto da diferença de potencial
(ddp) pela corrente que essa diferença de potencial
produz (essa corrente depende da impedância do
circuito).
 O calor, ou energia calorífica, é a energia transferida
através dos limites de um sistema, quando entre esses
limites há uma diferença de temperatura.
Primeira Lei da Termodinâmica
 Diferentemente da energia mecânica ou energia elétrica, a
determinação do calor que atravessa os limites do
sistema é bem mais difícil.
 Quando se conhece a condutividade térmica do material
através do qual o calor flui, será possível determinar o
fluxo do calor. Porém essa condutividade só é obtida por
processos indiretos.
Primeira Lei da Termodinâmica
 A adição de energia a um outro sistema poderá
produzir a elevação de temperatura, a sua
expansão ou mudança de fase. Uma reação química
pode ocorrer em um sistema; num sistema gasoso, por
exemplo, a adição de temperatura pode ocasionar a
ionização. Em certos sistemas, poderá ocorrer a fissão ou
a fusão nuclear.
Primeira Lei da Termodinâmica
 A energia que, associada com qualquer outra, provoca
modificações internas é denominada "energia interna",
designada por U. Qualquer modificação na temperatura
de um sistema provoca modificação na velocidade das
moléculas, ou seja, na energia cinética molecular.
Primeira Lei da Termodinâmica
 A lª lei aplicada a qualquer sistema estabelece que:
"Quando se verifica qualquer modificação no sistema, a
energia final é igual à energia original do sistema mais a
energia adicionada ao sistema, durante o período em que
se verifica a modificação.“
 A energia interna U pode ser inerente ao sistema de
várias formas. Quando o sistema está em movimento, está
sob a forma de energia cinética; se elevarmos o sistema,
há modificação na sua energia potencial, então U está sob
a forma de energia potencial.
Primeira Lei da Termodinâmica
 A energia pode ser adicionada ao sistema, sob a forma de
calor ou trabalho, seja trabalho mecânico ou elétrico.
 Arbitrariamente o calor adicionado ao sistema é
considerado positivo, assim como o trabalho fornecido
pelo sistema também é positivo.
Primeira Lei da Termodinâmica
 Supondo, uma massa definida de material sendo
impulsionada para dentro do sistema aberto.
 A pressão p resistirá ao fluxo da massa nos limites do
sistema. De uma maneira direta ou indireta, trabalho é
exigido para remover essa resistência p.
Primeira Lei da Termodinâmica
 Esse trabalho será definido:
 𝑊 = 𝐹. 𝑙
 𝑝 =
𝐹
𝐴
ou 𝐹 = 𝑝𝐴
 𝑊 = 𝑝. 𝐴. 𝑙
 𝑾 = 𝒑𝑽
Primeira Lei da Termodinâmica
 Como se trata de um trabalho ao longo de toda a
seçãoA, será mais bem definido por "fluxo de trabalho
Wj” ou:
 𝑊𝑓 = 𝑝𝑉
 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Segunda Lei da Termodinâmica
 Em 1824, o engenheiro francês Sadi Carnot, através de
sua publicação "Reflexões sobre a força motriz do calor",
chegou à seguinte conclusão:
 "O calor só pode produzir trabalho quando passa de um
nível de temperatura mais alto para um nível mais baixo
ou, em outras palavras: a quantidade de trabalho que
pode ser produzida por uma máquina a vapor, para uma
dada quantidade de calor, é função direta da diferença de
temperatura entre a produção do vapor e a sua
exaustão."
Segunda Lei da Termodinâmica
 Ficou também demonstrado que a transformação inversa
só seria possível com o fornecimento de trabalho ao
sistema:
 O trabalho mecânico pode ser convertido
completamente em calor,mas a transformação
inversa não é possível.
Segunda Lei da Termodinâmica
 Se uma corrente elétrica flui através de um resistor,
produz um efeito térmico. O calor por seu equivalente
elétrico de entrada pode ser fornecido pelo resistor,
entretanto o inverso não é possível, ou seja, o calor não
pode ser incorporado ao resistor e fornecer a mesma
energia elétrica de entrada.
Segunda Lei da Termodinâmica
 Da mesma forma uma reação química: o hidrogênio e o
oxigênio em presença de uma centelha formam vapor de
água, com elevação de temperatura. A reação inversa, ou
seja, fornecendo a mesma quantidade de calor à água, não
a dissocia em hidrogênio e oxigênio.
 CICLO DE CARNOT
Ciclo de Carnot
 Supondo a máquina térmica
ideal da figura, na qual há
uma fonte térmica com alta
temperatura (fonte quente
Q1) e uma fonte fria Q2.
Desse modo é possível
produzir o trabalho
mecânico W.
Ciclo de Carnot
 O diagrama de Carnot,
diagrama p-v, mostra que
no ponto 1 o gás recebe
calor de Q1 à temperatura
constante, então aumenta
de volume forçando o
pistão a produzir trabalho à
temperatura constante,
com queda de pressão (1-
2).
Ciclo de Carnot
 No ponto 2, a temperatura 
do pistão iguala a T1, mas o 
pistão continua a se mover, 
o que provoca a diminuição 
da temperatura até T2, sem 
troca de calor (adiabática) 
no trecho 2-3. 
Ciclo de Carnot
 A partir do ponto 3, o
pistão começa a retomar,
descrevendo o trecho 3-4,
diminuindo o volume,
cedendo calor, aumentando
a pressão, à temperatura
constante.
Ciclo de Carnot
 No trecho 4-1, a
temperatura do gás se
eleva até T1, com
diminuição de volume e
aumento de pressão, sem
troca de calor (adiabática) e
o ciclo está completo.
Ciclo de Carnot
 A eficiência térmica da máquina é dada por:
 𝜂𝑡 =
𝑊
𝑄1
 Onde Q1 é o calor recebido da fonte e W, o trabalho fornecido pela
máquina; supondo que se trate de um gás perfeito, teríamos:
 𝑊 = 𝑄1 − 𝑄2
 Logo, 𝜂𝑡 = 1 −
𝑇2
𝑇1
 Onde T1 e T2 são as temperaturas Kelvin das fontes quente e fria.
Quando a temperatura da exaustão se aproxima da temperatura da
fonte, o rendimento tende a zero e, quanto menor for T2, maior será o
rendimento, e no caso limite de T2=0, o rendimento será de 100%.
Ciclo de Carnot
 Exemplo 1
 Uma máquina térmica de Carnot recebe 1.000 kJ de calor
de uma fonte à temperatura de 600°C e descarrega na
fonte fria na temperatura de 60°C. Calcular:
 a) a eficiência térmica;
 b) o trabalho fornecido;
 c) o calor descarregado.
Ciclo de Carnot
 a) 𝜂𝑡 = 1 −
𝑇2
𝑇1
= 1 −
60+273
600+273
= 0,62 𝑜𝑢 62%
 b) 𝑊 = 𝜂𝑡 . 𝑄1 = 0,62 . 1000 = 620𝐾𝐽
 c) 𝑄2 = 𝑄1 −𝑊 = 1000 − 620 = 380𝐾𝐽
 Se, neste exemplo, a fonte de calor fornecesse essa
energia em 30 minutos, qual a potência fornecida em
KW?
 𝑊 = 620𝐾𝐽 𝑒 𝑃 =
620 𝐾𝐽
1800𝑠
= 0,34𝐾𝑊
 CICLO REVERSO DE CARNOT
Ciclo Reverso de Carnot
 O ciclo reverso é o ciclo
típico de refrigeração, onde
a fonte fria, para ceder
calor à fonte quente,
necessita receber trabalho
mecânico.
Ciclo Reverso de Carnot
 Para a máquina de refrigeração, ou seja, a máquina térmica
operando em ciclo reverso, temos:
 Q1=Q2-W, pois o trabalho é negativo e o efeito
refrigerante fornecido pela bomba será Q1, então o
efeito de aquecimento Q2 será:
 𝑄2 = 𝑄1 +𝑊
Ciclo Reverso de Carnot
 O diagrama p-v terá agora o
aspecto da figura e o
rendimento é:
 𝜂𝑡 =
𝑊
𝑄2
=
𝑇2−𝑇1
𝑇2
= 1 −
𝑇1
𝑇2
Ciclo Reverso de Carnot
 Exemplo 2
 Num ciclo reverso de Carnot (máquina de refrigeração), a
máquina recebe calor a -5° C e descarrega a 40°C. A
potência de entrada é de 10 kW. Calcular:
 a) o efeito de aquecimento Q2;
 b) o efeito refrigerante Q1.
Ciclo Reverso de Carnot
 a) 𝜂𝑡 =
𝑊
𝑄2
=
𝑇2−𝑇1
𝑇2
𝑜𝑢 𝑄2 =
𝑇2.𝑊
𝑇2−𝑇1
=
40+273 .10
40−(−5)
=
69,5𝐾𝐽
𝑠
 b) 𝑄1 = 𝑄2 −𝑊 = 69,5 − 10 =
59,5𝐾𝐽
𝑠
𝑜𝑢 59,5𝐾𝑊