refrigeracao e climatizacao aula 2

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AULA 02: REVISÃO DE TERMODINÂMICA 
Refrigeração e climatização 
REFRIGERAÇÃO E CLIMATIZAÇÃO 
Aula 02: Revisão de Termodinâmica 
AULA 02: REVISÃO DE TERMODINÂMICA 
Refrigeração e climatização 
(Instalações de Ar-Condicionado - Helio Creder) continuação 
 
Obs.: a Termodinâmica é uma ciência experimental de onde 
se deduziram fórmulas matemáticas para explicar os 
fenômenos obtidos 
Revisão de Termodinâmica 
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Refrigeração e climatização 
Para uma determinada massa, a quantidade de calor necessária, para produzir um determinado 
aumento, na temperatura ,depende da substância. 
 
Chama-se capacidade térmica C de um corpo o quociente da quantidade de calor fornecida dQ e o 
acréscimo na temperatura dT. 
 
Então, 
 
 C = capacidade térmica = dQ / dT 
Capacidade térmica 
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A capacidade térmica, por unidade de massa de um corpo, é o que se denomina "calor específico". 
Depende da natureza da substância do qual é feito, daí chamar-se específico de uma 
substância (veja Fig. 1.8 – slide 8). 
Calor específico 
C = 
𝒄𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝒕é𝒓𝒎𝒊𝒄𝒂
𝒎𝒂𝒔𝒔𝒂 
= 
𝟏
𝒎
 .
𝒅𝑸
𝒅𝒕
 Equação 1.2 
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A capacidade térmica e o calor específico de uma substância não são constantes, dependem do intervalo 
de temperatura considerado. 
 
Para a água, por exemplo, o calor específico somente será de 1 kcal/kg ºC na temperatura de 15°C. 
 
Na temperatura de 0ºC, será de 1,008 kcal/kg ºC e a 40°C será de 0,998 kcal/kg ºC. 
 
No limite, quando o intervalo de temperatura T  0, podemos falar em calor específico à determinada 
temperatura T, então da Eq. 1.2 tira-se: 
𝐐 = 𝐦 𝐂 𝐝𝐭
𝐓𝐟
𝐓𝐢
 
Para se organizar uma tabela de calor específico para diferentes substâncias, temos de 
fixar uma pressão constante e uma temperatura ambiente. 
 
Na Tabela 1.3, temos o calor específico cp à pressão constante de 1 atm. 
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Verificamos por essa tabela que o calor específico dos sólidos varia muito com a substância, se expresso 
em cal/gºC ou J/gºC (colunas 1 e 2), porém se expressarmos amostras com o mesmo número de moléculas, 
verificamos que o calor específico molar ou capacidade térmica molar de quase todas as substâncias é 
aproximadamente 6 cal/molºC (com exceção do carbono). 
 
Essa foi a conclusão a que chegaram Dulong e Petit em 1819. 
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Para se obter a coluna 4, multiplicam-se os valores da coluna 1 pela coluna 3; 
 
para se obter a coluna 5, multiplica-se a coluna 2 pela 3. 
 
Conclui-se que 1 cal/gºC = 1 kcal/kgºC = 1 BTU/lb ºF e que o calor específico da água é 1,0 
cal/gºC ou 1 kcal/kgºC ou ainda 1 BTU/lbºF é muito grande comparado com os metais. 
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Verifica-se então que a quantidade de calor por molécula, necessária para produzir determinada 
variação de temperatura de um sólido, é aproximadamente a mesma para quase todas as 
substâncias, o que dá ênfase à teoria molecular da matéria. 
 
O calor específico, ou seja, a capacidade térmica por unidade de massa, pode ser verificado 
experimentalmente pela experiência da Fig. 1.8. 
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Em duas cubas iguais, colocamos 1 kg de massa de água e 1 kg de glicerina. 
 
Aproximamos dois bicos de gás iguais e deixamos ambas as cubas se aquecerem pelo mesmo 
tempo, no fim do qual mediremos as temperaturas da água e da glicerina. 
 
Verificamos que o aumento 
de temperatura da água é 
maior do que o da glicerina, 
então podemos afirmar que 
o calor específico da água, 
que é de 1 kcal/kgºC, é maior 
do que o da glicerina que é 
de 0,576 kcal/kgºC. 
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Um bloco de chumbo de 100 g é tirado de um forno e colocado dentro de um recipiente de 500 g 
de cobre, contendo em seu interior 200 g de água na temperatura inicial de 20°C. A temperatura 
final do conjunto passa a ser de 25°C. Qual a temperatura do forno? 
Exemplo: 
Temos a seguinte equação de equilíbrio, usando os valores da Tabela 1.3: 
 
 100 X 0,0325 (TF - 25) = 500 X 0,0923 (25 - 20) + 200 X 1 (25 - 20) 
 (chumbo)(cobre) (água) 
 
Resolvendo essa equação, achamos, desprezando as perdas: 
 
 TF = 403,7°C 
Solução: 
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Chama-se condução de calor a transferência de energia calorífica entre as partes adjacentes de um 
corpo ou de um corpo para outro quando postos em contato. 
 
De uma maneira mais geral, podemos dizer que o calor transmite-se de três maneiras: 
 
por radiação, quando se transmite de um corpo a outro por meio de ondas, em linha reta e à 
velocidade da luz. 
 
Exemplo: o calor irradiado pelo Sol. 
 
por convecção, quando passa de um corpo a outro por meio do fluido que os rodeia. 
 
Exemplo: banho-maria em que o fluido é a água; aquecimento de ambiente em que o fluido é o ar. 
Condução de calor 
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por condução, quando existe contato direto entre os corpos ou entre as partes de um mesmo 
corpo, quando há diferença de temperatura. 
 
Exemplo: barra de ferro em contato com fogo. 
 
Estudaremos apenas a condução do calor. 
Condução de calor 
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Suponhamos uma lâmina de certo material, de seção reta A e 
espessura x e que as faces do material sejam mantidas a temperaturas diferentes T2 e T1 sendo T2 > T 1. 
Condução de calor em paredes planas (experiência de Fourier - 1825) 
Queremos avaliar o fluxo de 
calor Q entre essas faces, no 
intervalo de tempo t e 
perpendicularmente a elas. 
 
Experimentalmente, Fourier 
concluiu que a quantidade de 
calor é proporcional à área A, à 
diferença de temperatura T e 
ao intervalo de tempo t. 
Também, por experiência, 
conclui-se que se T e x forem 
pequenos, o 
fluxo de calor Q será 
proporcional a T / x para t 
e A constantes, ou seja, 
coefic.de convecção 
𝚫𝐐
𝚫𝐭
 =  A 
𝚫𝐓
𝚫𝐱
 
 t = tempo 
T = Temperatura 
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No limite, se a lâmina tiver espessura infinitesimal dx, e através da qual existir uma diferença de 
temperatura dT, temos a seguinte equação de transmissão de calor, chamada lei de Fourier: 
 
Q = - K A 
𝐝𝐓
𝐝𝐱
 (1.3) 
Q = a taxa de transmissão de calor em certo intervalo de tempo, através da área A em cal ou kcal 
 
dT / dx = gradiente de temperatura (variação da temperatura com a distância); 
 
K = constante de proporcionalidade, chamada de condutividade térmica . 
 
Obs.: O sinal de menos é porque o calor se transmite da face mais quente para a mais fria. 
onde: 
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Na Tabela 1.4 vemos a condutividade térmica de alguns materiais à temperatura ambiente e para os gases 
a 0°C. 
 
Por esta tabela podemos ver que os corpos bons condutores de eletricidade são os que têm maior 
condutividade térmica, o que enfatiza o conceito de que o calor é uma energia, como a eletricidade também 
o é. 
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Vamos examinar o caso de um corpo composto por duas placas paralelas, de materiais com condutividades 
térmicas diferentes K2 e K1 (Fig. 1.10). 
Condução de calor através de placas paralelas 
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Refrigeração e climatizaçãoAs temperaturas das faces externas são T2 e T1 e a temperatura da face de separação das duas 
placas é Tx. 
 
 Em regime estacionário, ou seja, depois de decorrido um intervalo de tempo suficiente em que a 
temperatura não varia mais e considerando a área A perpendicular à direção do fluxo, temos as 
equações: 
 Fazendo a generalização para n placas paralelas. 
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Generalizando para n placas , temos : 
 Resolvendo a equação em Tx e depois substituindo em uma das equações, teremos : 
q = 
𝐀 (𝐓𝟐 − 𝐓𝟏 )
𝐋𝟏
𝐊𝟏
 + 
𝐋𝟐
𝐊𝟐
 
q = 
𝐀 (𝐓𝟐 − 𝐓𝟏 )
 
𝐋𝐢
𝐊𝐢
𝐧
𝐢=𝟏
 
onde : 
 
q = kcal / s 
T2 e T1 = as temperaturas externas em K; 
Li = espessura das placas em m; 
Ki = condutividade térmica em kcal/s m ºC 
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Nos cálculos de ar-condicionado, as tabelas da carga térmica são preparadas para a condutância, 
em vez de resistências. 
Assim, a equação 1.5 pode ser transformada, considerando-se A constante : 
Em analogia com circuitos elétricos, a equação 1.4 poderá ser apresentada assim : 
Equação (1.5) q = 
𝐀 (𝐓𝟐 − 𝐓𝟏 )
 
𝐋𝐢
𝐊𝐢 .𝐀
𝐧
𝐢=𝟏
 
Q = A . U . T 
sendo : U = 
𝟏
𝐑𝐭𝐡

𝒌𝒄𝒂𝒍
𝒉.𝒎2.º𝑪 
 
q = kcal / h 
Equação (1.6) 
e T = T2 – T1 
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Uma parede externa de uma sala é composta das seguintes placas: 10 cm de concreto, 5 cm de 
amianto, e revestida internamente com 20 cm de cortiça. 
A temperatura do ar, no exterior, é de 32°C e, no interior, de 25°C, mantida pelo ar-
condicionado. 
Calcular o fluxo de calor por m² de superfície de parede, em kcal/h. 
Exemplo: 
Cálculo da resistência térmica, baseada nos dados da Tabela 1.4 e levando em conta que o fluxo é 
por hora: 
Solução: 
𝐑𝐭𝐡 = 
𝐋
𝐊. 𝐀 
𝐡 º𝐂 𝐤𝐜𝐚𝐥 
Rth1 = ____0,1__ = 0,13 th 
 0,72 x 1 
Rth2 = 0,05____ = 0,71 th 
 0,07 x1 
Rth3 = ____0,2__ = 1,42 th 
 0,14 x 1 
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ou Rth = 0,13 + 0,71 + 1,42 = 2,26 th 
 
q = 
32 −25
2,26 
= 3,09 
𝑘𝑐𝑎𝑙
ℎ
 𝑝𝑜𝑟 𝑚² 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒 
 
Obs. : o mesmo resultado seria obtido usando-se U = 
1
Rth
 = 
1
2,26
 = 0,44 
na equação 1.6 : q = A.U. T = 1 . 0,44 . (32 – 25) = 3,09 kcal / h 
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Duas barras idênticas de metal, quadradas, são soldadas topo a topo como mostra a Fig. 1.12(a). 
 
Suponhamos que 10 cal de calor fluam através das barras em 5 minutos. 
 
Pergunta-se que tempo levaria para que as 10 cal fluíssem através das barras colocadas como na 
Fig. 1.12(b). 
Exemplo: 
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No caso da Fig. 1.12(a) as placas metálicas estão colocadas em série, então as resistências térmicas 
serão somadas. Resultando: 
Solução: 
𝐑𝐞𝐪 = 
𝟐𝐋
𝐊𝐀
 
No caso da Fig. 1.12(b) as placas metálicas estão colocadas em paralelo, então: 
𝟏
𝐑𝐞𝐪
= 
𝐊𝐀
𝐋
+ 
𝐊𝐀
𝐋
  Req = 
𝑳
𝟐𝑲𝑨
 
No caso b o fluxo de calor é 4 vezes maior, isto é, para ser transportada a mesma energia, 
necessita-se de um tempo 4 vezes menor, ou seja : 
𝒕 =
𝟓 𝒎𝒊𝒏
𝟒
 = 𝟏𝐦𝐢𝐧 𝒆 𝟏𝟓 𝒔𝒆𝒈𝒖𝒏𝒅𝒐𝒔 
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Calor sensível é a quantidade de calor que deve ser acrescentada ou retirada de um recinto devido 
à diferença de temperatura entre o exterior e o interior, a fim de fornecer as condições de 
conforto desejadas. 
 
Esse calor é introduzido no recinto de diversas maneiras: 
por condução; 
pelo Sol diretamente; 
pelas pessoas; 
pela iluminação; 
pelo ar exterior etc. 
 
Calor sensível é o que se sente, é a propriedade que pode ser medida pelo termômetro comum. 
Calor sensível 
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É a quantidade de calor que se acrescenta ou retira de um corpo, causando a sua mudança de estado, sem 
mudar a temperatura; é o calor absorvido que provoca a evaporação da água ou outros líquidos. 
 
Exemplo: A água no estado sólido (gelo) necessita de 80 kcal por kg para passar para o estado líquido a 0ºC. 
Enquanto se fornece esse calor, a temperatura da água permanece constante, ou seja, 0ºC. 
 
Então, o calor latente de fusão da água é de 80 kcal/kg, se continuarmos acrescentando calor à água 
líquida, a sua temperatura passará de 0° a 100ºC exigindo 100 kcal de calor. 
 
A partir dessa temperatura, se quisermos passar ao estado de vapor, teremos que acrescentar mais 538 
kcal, porém a sua temperatura permanecerá em 100ºC e enquanto ainda existir líquido. 
 
Logo, o calor latente de vaporização da água é de 538 kcal/kg. 
 É o calor que ferve a água da chaleira. 
Calor latente 
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Agora, se temos água sob a forma de vapor e queremos passá-la para o estado líquido, precisamos retirar 
as mesmas 538 kcal/kg, mantendo-se constante a temperatura 
até todo o vapor se transformar em líquido. 
 
Esse é o calor latente de condensação. 
 
O corpo humano emite ou recebe calor sensível e calor latente, que é o calor necessário para vaporizar a 
transpiração e a respiração, permanecendo constante o calor total. 
 
O calor total é a soma do sensível e do latente. 
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Com o conhecimento das propriedades elementares, iniciaremos o estudo das propriedades complexas, a 
fim de que possamos melhor compreender todos os fenômenos que se processam em uma instalação de 
ar-condicionado ou de frio. 
 
Energia 
 
A perfeita avaliação e a compreensão dos fenômenos que regem as manifestações da energia não serão 
fáceis, pois a energia não pode ser vista e não é uma substância. 
 
É manifestada apenas pelos resultados que produz; 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”. 
Primeira Lei da Termodinâmica 
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Já está perfeitamente provado, desde Sadi Carnot e mais tarde Helmholtz, que a "energia não pode ser 
criada nem destruída". 
 
É a lei da conservação da energia de aplicação cada vez mais generalizada e extrapolada para a esfera de 
conhecimentos macrocósmicos. 
 
Essa lei da conservação da energia já era conhecida antes mesmo de ser descoberta a estrutura do átomo 
e, uma vez conseguidas experimentalmente a fissão e a fusão do átomo, ficou provada a transformação da 
matéria em energia. 
 
Agora, sabemos que há uma perfeita relação entre a matéria transformada e a energia produzida. 
 
A 1ª 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. 
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Essa 1ª 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 1ª 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 adicionadaao sistema, assim 
como as formas de energia resultantes das transformações. 
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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. 
Quando há diferença de magnitude (ou diferença de potencial) entre qualquer desses potenciais, entre os 
dois lados das vizinhanças do sistema, há possibilidade de transferência de energia. 
No entanto, só há possibilidade da energia atravessar as vizinhanças do sistema se houver um caminho 
para o fluxo de energia. 
Energia transferida a um sistema 
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Por exemplo, em qualquer circuito elétrico, pode haver diferença de potencial entre as extremidades do 
circuito, mas se não houver um condutor que estabeleça um caminho contínuo para as cargas não haverá 
corrente elétrica. 
Da mesma forma o calor: pode haver uma grande diferença de temperatura entre as vizinhanças de um 
sistema de calor, mas, se houver um isolante térmico suficiente, o calor não será transmitido à outra 
extremidade. 
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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 entre os pontos 1 e 2 (Fig. 1.13) será: 
 
 W1
2 = FL.dl 
Trabalho 
W1
2 = trabalho entre 1 e 2 
FL = componente da força na direção do deslocamento 
dl = deslocamento do objeto 
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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 a energia calorífica, é a energia transferida através dos limites de um sistema, quando entre 
esses limites há uma diferença de temperatura. 
 
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. 
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A energia de um sistema pode variar de diversas maneiras: 
pela variação da energia potencial, por exemplo: elevação do sistema; pela adição de energia ao 
sistema que pode variar a sua velocidade, ou seja, variar a sua energia cinética. 
A energia potencial e a energia cinética, consideradas como um todo, estão relacionadas com as 
vizinhanças do sistema. 
Essas duas energias são ,muitas vezes, consideradas energias extrínsecas. 
A adição de energia a outro sistema poderá produzir a elevação de temperatura, a sua expansão ou 
mudança de fase. 
Uma reação química pode ocorrer em um sistema gasoso, por exemplo, a adição de temperatura pode 
ocasionar a ionização. 
Em certos sistemas, poderá ocorrer a fissão ou a fusão nuclear. 
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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. 
A energia cinética molecular é designada por UK. 
O sistema pode se contrair ou expandir, havendo modificação nas distâncias das moléculas. 
Quando há forças atrativas intermoleculares, haverá uma modificação na energia potencial molecular, 
designada por Up. 
Quando se realiza uma reação química, há uma modificação da estrutura molecular do sistema. 
Essa energia é conhecida como "energia química". 
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Sob certas condições, pode haver modificações na estrutura atômica do sistema. 
 
Essas mudanças podem ser : 
ionização, 
fissão nuclear ou 
fusão nuclear. 
 
A energia associada com as modificações na estrutura atômica é 
conhecida como energia nuclear. 
 
Essas energias são intrínsecas. 
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a) Energias que podem ser transferidas: 
 
1 - calor - através de mudanças de temperatura; 
2 - trabalho mecânico - por desequilíbrio de forças mecânicas; 
3 - trabalho elétrico - por diferença de tensão. 
Resumo: 
b) Energias extrínsecas dos sistemas: 
 
1 - energia potencial - associada com desnível; 
2 - energia cinética - associada com velocidade. 
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c) Energias da estrutura interna do sistema (intrínseca ou interna) 
 
1 – Molecular 
- cinética - associada com temperatura absoluta; 
- potencial - associada com forças interatômicas. 
 
2 - Atômica 
 
 - química - associada com trocas na estrutura molecular. 
 
3 - Subatômica 
 
 - nuclear - associada com trocas na estrutura atômica. 
Resumo: 
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Refrigeração e climatização 
VAMOS AOS PRÓXIMOS PASSOS? 
 
 
Continuação da Revisão de 
Termodinâmica 
AVANCE PARA FINALIZAR 
A APRESENTAÇÃO.