202041_15198_APOSTILA+CONFORTO+TÉRMICO+E+REFRIGERAÇÃO+INDUSTRIAL+V2

Prévia do material em texto

1 
 
 
CONFORTO TÉRMICO E REGRIGERAÇÃO INDUSTRIAL 
 
Professor Dr. Ederson R. Abaide 
2020/I 
 
 
 
 
2 
 
SUMÁRIO 
 
 
 
 
3 
 
 
UNIDADE 1 - INTRODUÇÃO 
A formação de um engenheiro tem como base o conhecimento de sistemas 
que demandam troca de calor e/ou massa para que ocorra o conforto térmico ou 
a refrigeração. O objetivo principal desta apostila de conforto térmico e 
refrigeração industrial é desenvolver no estudante de engenharia a capacidade 
de analisar qualquer problema de um modo simples e lógico e aplicar a solução 
utilizando princípios básicos. A ênfase desta apostila está na compreensão 
correta dos princípios da termodinâmica, transferência de calor e psicrometria, 
visando a aplicação destes, à solução de problemas de conforto térmico e 
refrigeração industrial. 
1. CONFORTO TÉRMICO X REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Conforto térmico x Refrigeração. 
Conforto térmico visa as 
pessoas, relacionado a 
satisfação com o ambiente 
térmico que envolve a pessoa 
 
A refrigeração industrial tem 
como objetivo a refrigeração 
de uma substância ou meio. 
 
 
 
 
4 
 
 
1.1 Conforto térmico 
Organismo humano e metabolismo 
- Temperatura 37°C (36,1 a 37,2°C), Limite inferior 32°C / Limite superior 42°C; 
- O organismo humano pode ser comparado a uma máquina térmica: cerca de 
20% da energia consumida é transformada em potencialidade de trabalho; 
- O organismo humano sofre a termorregulação, que tem por função manter 
constante a temperatura interna do corpo; 
- O organismo humano experimenta a sensação de conforto térmico quando 
perde o calor produzido pelo metabolismo para o ambiente, sem recorrer a 
nenhum mecanismo. 
Mecanismos: 
REAÇÃO AO FRIO 
- Ativa o sistema nervoso para gerar 
calor por meio de vibrações 
REAÇÃO AO QUENTE (“CALOR”) 
- Perdas de calor para o ambiente 
por meio de vasodilatação 
- Troca térmica seca em função da 
diferença de temperatura 
- Troca térmica úmida pelo suor, 
através da evaporação. 
 
(A) 
 
(B) 
Figura 2. Mecanismos de termorregulação. (A) ao frio e (B) ao “calor”. 
 
 
 
 
5 
 
 
1.1.1 Parâmetros de conforto térmico 
Os parâmetros de conforto térmico definidos por Fanger são: 
- Temperatura de bulbo seco; 
- Umidade relativa; 
- Temperatura radiante média; 
- Velocidade do ar; 
- Taxa metabólica por atividade; 
- Resistência térmica da roupa; 
- Eficiência mecânica. 
Os 4 primeiros são definidos pelo meio ambiente e 3 últimos pelo usuário. 
As coordenadas de conforto térmico 
Verão → T = 22,5 a 26°C e 60% de umidade relativa. 
Inverno → T = 20 a 23,5°C e 60% de umidade relativa. 
--TAREFA DO ENGENHEIRO --- 
Projetar equipamentos que aqueçam ou resfriem o ambiente de modo a garantir 
as coordenadas (mais próximo o possível) de conforto térmico. 
Equipamentos para aquecimento 
- Aquecedor a gás; 
- Aquecedor a óleo; 
- Aquecedor elétrico; 
- Lareira; 
- Lençol térmico; 
- Ar condicionado 
Equipamentos para resfriamento 
- mecânico por compressores de 
vapor; 
- mecânico por compressores de 
gases; 
- compressão por estágios; 
 
1.2 Refrigeração industrial 
A refrigeração industrial pode ser caracterizada pela temperatura de 
operação. No limite inferior a temperatura pode atingir valores entre - 60 a -70°C 
e no limite superior a 15°C. Aplicações que utilizem temperatura menores que o 
limite inferior exposto acima, pertencem a indústria de criogenia, que se 
especializa na produção e utilização de oxigênio e nitrogênio líquidos. 
 
 
 
6 
 
 
1.2.1 Emprego da refrigeração industrial 
EXEMPLOS: 
- Refrigeração do fluido de corte em máquinas de usinagem; 
- Refrigeração do ar comprimido (com posterior remoção de condensado); 
- Uso de sistemas de refrigeração em indústrias química, petroquímica, de refino 
de petróleo e farmacêutica, em sistemas para separação de gases, condensação 
de gases, manutenção de um líquido a baixa temperatura para controlar a 
pressão no interior do vaso de armazenamento; 
- Uso em frigoríficos e indústria alimentícia em geral. 
Para compreender as aplicações em conforto térmico e refrigeração industrial é 
importante conhecer (relembrar) alguns fundamentos termodinâmicos 
relacionados à energia. 
2. FUNDAMENTOS TERMODINÂMICOS 
A Termodinâmica é a ciência que estuda as trocas de energia que ocorrem entre 
o sistema e as vizinhanças durante uma mudança do estado deste sistema. 
2.1 Sistema 
Sistema se refere à certa porção de matéria incluída em alguma superfície 
fechada chamada FRONTEIRA do sistema. A fronteira não é necessariamente 
fixa, ela pode ser deslocada para melhor análise do problema e ainda pode ser 
real e física ou imaginária. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 
2.2 Volume de controle 
É um sistema no qual ocorre fluxo de matéria e energia (=sistema aberto). 
Isso porque o sistema pode ser aberto ou fechado, ou seja, com troca de matéria 
e energia com a vizinhança, ou apenas com troca de energia. Existem também 
sistemas isolados onde não a troca de massa nem de energia. 
 
 
 
 
 
2.3 Estado e propriedade de uma substância 
O estado é definido como um conjunto de propriedades de um sistema. O 
estado pode ser IDENTIFICADO ou descrito por certas propriedades ou variáveis 
de estado como T, P, ρ, V,etc. As propriedades ou variáveis de estado 
determinam o estado do sistema. Não confundir fase da matéria com estado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.4 Processos e ciclos 
Um processo ocorre quando em um sistema que está sendo estudado há 
mudança de estado (pelo menos uma propriedade do sistema é alterada). 
Exemplo: 
 
 
 
 
 
8 
 
 
 
 
 
 
Observe que o sistema foi mudando em uma sucessão de estados, sendo 
que o caminho percorrido nestas sucessões de estados é chamado de processo. 
Quando um sistema em estado inicial, passa por certo número de mudanças de 
estado, ou processos, e finalmente retorna ao estado inicial, o sistema realiza 
um ciclo. 
Propriedades termodinâmicas mensuráveis 
Vimos que, quando especificamos os valores das propriedades das 
substâncias em um sistema, definimos o estado termodinâmico do mesmo. São 
justamente as propriedades termodinâmicas mensuráveis que nos possibilitam 
caracterizar o estado específico de um sistema. Propriedades termodinâmicas 
mensuráveis são aquelas obtidas diretamente em laboratório. As propriedades 
´podem ser extensivas ou intensivas. 
 Propriedade intensiva: é independente da quantidade de matéria 
presente. 
EX: T, P, ρ. 
 Propriedade extensiva: depende da quantidade de matéria presente. 
EX: V, número de mols. 
VOLUME (Extensivo ou intensivo) 
O volume está relacionado com o tamanho do sistema. Para uma geometria 
retangular, o volume pode ser obtido multiplicando-se as medidas do 
comprimento, da largura e da altura. Este procedimento nos dá a forma extensiva 
do volume, V, em unidades de [m³] ou [gal]. Compramos volumes de leite de 
gasolina utilizando esse tipo de unidades. O volume também pode ser descrito 
como uma propriedade intensiva, ou como volume molar, v [m³/mol], ou como 
volume específico, v ̂ [m³/kg]. O volume específico é o inverso da massa 
específica, ρ [kg/m³]. 
Volume específico: v=V⁄m 
 
 
 
9 
 
Volume molar: v ̂=V⁄n 
TEMPERATURA (INTENSIVA) 
A temperatura, T, pode ser de maneira não muito formal como o grau de 
aquecimento de um dado sistema. Sem dúvida, você tem um bom sentimento 
intuitivo do que a temperatura representa. No verão quando a temperatura 
alcança 32°C é mais quente do que no inverno, quando a temperatura se 
encontra em 12°C. Evidentemente se você assar batatas em um forno a 200°C 
elas cozinharão mais rapidamente do que a 150°C, porque o forno estará mais 
quente. Em geral dizer que um objeto A está mais quente que um objeto B é 
dizer TA>TB. Neste caso, A transferirá energia espontaneamente em forma de 
calor para B. Quando não a tendênciade transferência de energia na forma de 
calor tanto de A para B, quanto de B para A, A e B têm que ter o mesmo grau de 
aquecimento e TA=TB. 
No nível molecular, a temperatura é proporcional a energia cinética média 
dos átomos (ou moléculas) do sistema. Toda matéria contém átomos que estão 
em movimento. Espécies na fase gasosa, por exemplo, movem-se caoticamente 
pelo espaço a velocidades finitas (o que aconteceria ao ar em um ambiente 
fechado se suas moléculas não estivessem se movendo?). Elas também 
poderiam vibrar e girar. 
Outro caso interessante que pode ser explicitado aqui, é como você sabe, 
que ao deixarmos dois corpos sólidos com temperaturas iniciais diferentes 
em contato um com o outro, e esperarmos tempo suficiente, as suas 
temperaturas ficarão iguais. Como podemos entender esse fenômeno no 
contexto da energia cinética atômica? 
 
 
 
10 
 
 
No caso dos sólidos, o modo principal da energia cinética molecular está 
em forma de vibrações. Os átomos do corpo quente estão vibrando com mais 
energia cinética e, portanto, movendo-se mais rapidamente que os átomos do 
corpo frio. Na interface, os átomos mais rápidos que vibram no corpo quente 
transferem mais energia para o corpo frio do que os átomos que se movem mais 
lentamente no corpo frio do que os átomos que vibram mais lentamente no corpo 
frio transfeririam para o corpo quente. 
PRESSÃO (INTENSIVA) 
Pressão [Pa] é a força normal, por unidade de área, exercida por uma 
substância na sua fronteira. A fronteira pode ser a fronteira física que define o 
sistema. 
2.5 Energia 
2.5.1 Calor e trabalho 
Calor e trabalho são formas de transferência de energia. O calor (Q) 
corresponde à transferência de energia (desordenada) entre o sistema e suas 
vizinhanças quando a FORÇA MOTRIZ é fornecida por UM GRADIENTE (delta) 
DE TEMPERATURA. A energia será transferida espontaneamente da região de 
temperatura alta para a de temperatura baixa. 
Há três modos pelos quais a energia é transferida sob a forma de calor 
Condução: ocorre em sólido, transferência de energia, vibração da rede 
cristalina (fônons), e em fluídos em estado estático (parados) 
Convecção: ocorre quando a energia é transferida quando a movimento de 
massa, exemplo: o escoamento de um fluído sob uma superfície. 
Radiação: transferência de energia através da luz; exemplo: metal rubro de 
tão quente, está resfriando através da emissão de fótons na região do vermelho 
do espectro. 
A unidade de transferência de calor é o Joule [J] ou [N.m], sendo que em 
alguns problemas aparece a taxa de transferência de calor (J/s) ou Watts [W]. 
 
 
 
 
11 
 
Com relação a trabalho 
Existem muitas formas de trabalho, sendo que o caso mais comum de 
trabalho na aplicação termodinâmica em engenharia se dá quando uma força 
causa o deslocamento na fronteira do sistema. No caso da expansão, por 
exemplo, o sistema necessita empurrar as vizinhanças para fora a fim de 
aumentar a sua fronteira, nesse processo ele gasta energia. Logo o trabalho (w) 
de uma força (Fe) para deslocar a fronteira de um sistema infinitesimalmente (dx) 
é dado por 
 𝑊 = ∫ 𝐹𝑒𝑑𝑥 (1) 
O trabalho em um sistema depende não só do estado inicial 1, e do estado 
final 2, mas sim também do caminho específico percorrido. 
Se a força externa está atuando em uma superfície de área de secção reta 
A,a equação (1) pode ser escrita, para um processo lento em que a 
Pexterna=Pinterna nos estágios de equilíbrio, como. 
𝑊 = ∫ 𝑃𝑒𝐴𝑑𝑥 isso poque 𝑃𝐸 =
𝐹𝑒
𝐴
 (2) 
𝑊 = ∫ 𝑃𝑒𝑑(𝐴𝑥) (3) 
𝑊 = ∫ −𝑃𝑒𝑑𝑉 (4) 
O sinal negativo se dá porque o sistema está empurrando o pistão contra a 
Pext, como pode ser visto pela o esquema abaixo. 
A unidade de trabalho é o Joule [J] ou [N.m] 
 
 
 
 
Existe outra forma de trabalho a ser destacada aqui, é o trabalho de eixo. 
O trabalho de eixo ocorre quando utilizasse um eixo rotatório para transferir 
energia entre o sistema e as vizinhanças. Um exemplo, pode ser uma turbina, 
onde a energia de um fluido escoando é convertida em trabalho útil. O fluido 
passa através da turbina, se expandindo e esfriando, provocando a rotação do 
eixo na extremidade final da turbina, de acordo com a Figura 3. 
 
 
 
 
12 
 
 
Figura 3. Funcionamento de uma turbina. 
Um imã é colocado no final do eixo, e com o giro a variação do campo 
magnético induz um potencial elétrico que é usado para gerar corrente elétrica 
que pode carregar uma bateria. Assim o que se pode observar é que 
dependendo da fronteira do sistema adotada a energia transferida pode ser 
mecânica, magnética ou elétrica. Logo quando utilizamos genericamente a 
expressão trabalho de eixo, está pode representar qualquer uma das formas de 
trabalho. 
2.5.2 Energia potêncial, Energia cinética e Energia interna 
É de suma importância saber quais as 3 formas naturais em que a energia 
é dividida: Energia cinética (Ek), Energia potencial (Ep) e a Energia interna (U). 
A energia cinética está associada ao movimento macroscópico do sistema 
como um todo. 
A energia potencial está associada à posição macroscópica do sistema em 
um campo potencial. 
A ENERGIA INTERNA é associada do movimento, à posição e a 
configuração de ligações químicas das moléculas das substâncias que formam 
o sistema. A energia interna é uma grandeza absoluta, mas de maneira mais 
adequada, só pode ser definida com relação a um estado de referência (UM 
DELTA*/UMA VARIAÇÃO*). 
 
 
 
 
13 
 
 
É importante ressaltar que a energia interna engloba todas as formas de 
energia molecular, inclusive a energia cinética e a energia potencial das próprias 
moléculas. 
Uma variação da energia interna pode se apresentar de várias formas 
macroscópicas, como: 
1. Mudança na temperatura, ex: Tbaixa → Talta 
2. Mudança de fase, ex: sólida → gás. 
3. Mudança na estrutura química, exemplo devido a uma reação química 
(N2 + 3H2→ NH3) 
 
 
∆𝑈 que conduz a uma ΔT (mudança de temperatura) é frequentemente chamada 
de Calor Sensível. 
∆𝑈 que conduz a uma mudança de fase é frequentemente chamado de calor 
latente. 
 
2.5.3 Entalpia e a primeira lei da termodinâmica 
A primeira lei da termodinâmica tem como foco a conservação de energia 
em processos . Embora a energia possa ser mudada de uma forma para outra a 
quantidade total de energia E no universo é constante 
∆𝐸𝑢𝑛𝑖𝑣 = 0 (5) 
Primeira lei da termodinâmica para sistemas fechados 
Mas como o universo é muito grande podemos analisar uma parte dele, 
como mostra a Figura 4. 
 
Figura 4. Sistema Fechado com troca de calor e trabalho. 
 
ATENÇÃO 
 
 
 
14 
 
Como transferir energia entre sistema (fechado) e vizinhanças? 
Através de → Trabalho e calor 
Tendo conhecido as maneiras como a energia pode ser transferida entre um 
sistema fechado e suas vizinhanças, é possível, agora, enunciar a 1ª lei da 
termodinâmica para sistemas fechados. 
{variação de energia no sistema}= {energia transferida das vizinhanças p/ sistema} 
∆𝑈 + ∆𝐸𝐾 + ∆𝐸𝑃 = 𝑄 + 𝑊 (6) 
Ek e Ep podem ser negligenciáveis, pois o valor dessas é infinitamente menor 
que o das outras. 
Sendo assim a energia cinética e energia potencial podem ser desprezadas, e a 
equação fica 
∆𝑈 = 𝑄 + 𝑊 (7) 
A equação 7 representa a 1ª lei da termodinâmica. 
Colocando em propriedades intensivas (dividindo pelo n° de moles) 
∆𝑢 = 𝑞 + 𝑤 (8) 
Na forma de um balanço diferencial 
𝑑𝑢 = 𝑞 + 𝑤 (9) 
Usou-se a diferencial exata d para indicar que para energia interna a 
transferência de energia só depende do estado inicial e final, e não se usou a 
diferencial inexata 𝛿 com o calor e o trabalho. É importante destacar isso para 
relembrarmos trabalho e calor são funções de caminho, logo temos de indicar o 
caminho percorrido quando integramos para obter essasgrandezas. 
Quando diferenciamos com relação ao tempo temos. 
𝑑𝑢
𝑑𝑡
= �̇� + �̇� (10) 
onde: �̇� é a tx. De transferência de calor e �̇� é a tx. de transferência de trabalho. 
 
 
Primeira lei da termodinâmica para sistemas abertos 
 
 
 
15 
 
Como transferir energia entre sistema aberto e vizinhanças e a relação com a 1ª 
Lei 
Em sistemas abertos a massa pode entrar ou sair do sistema. Então a 
primeira lei deve incluir um termo a mais em sua fundamentação 
𝑑𝑢
𝑑𝑡
= �̇� + �̇� + 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜 𝑚á𝑠𝑠𝑖𝑐𝑜 (11) 
(𝑎𝑠𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑜 𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖 𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎) 
É possível entender a expressão com esse termo novo de maneira mais 
especifica. Para cumprir isso analisemos o volume de controle pela Figura 5, 
logo abaixo 
 
Figura 5. Sistema aberto com troca de matéria, calor e trabalho 
A variação do n° de moles com o tempo é dada por 
(
𝑑𝑛
𝑑𝑡
)
𝑠𝑖𝑠
= ∑ �̇�𝑒𝑛𝑡𝑟 −𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ∑ �̇�𝑠𝑎í𝑑𝑠𝑎í𝑑𝑎 (12) 
Sendo �̇� a vazão molar (mol/s). Para um fluxo que escoa através de uma área 
de secção reta A, à velocidade Vel, onde v é o volume molar, a vazão molar pode 
ser escrita como: 
�̇� =
𝐴.𝑉𝑒𝑙
𝑣
 (13) 
Analisando a entrada no fluxo 1. As moléculas que fluem para dentro do 
sistema transportam a sua própria energia, em geral a forma mais importante de 
energia é a interna, U. Mas os fluxos que escoam também podem ter energia 
 
 
 
16 
 
cinética e energia potencial associadas. Em segundo lugar, o fluxo de entrada 
acrescenta energia ao sistema fornecendo-lhe trabalho, que é denominado 
trabalho de fluxo. 
O trabalho de fluxo é o trabalho que o fluido de entrada tem de fazer sobre 
o sistema para deslocar o fluido que se encontra no sistema de modo a poder 
entrar. Assim 
(�̇�𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜)𝑒𝑛𝑡𝑟 = − 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝐴𝑒𝑛𝑡𝑟
𝑑𝑥
𝑑𝑡
 (14) 
Mas como vimos pela equação 13, podemos substituí-la em 14 e obter 15 
(�̇�𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜)𝑒𝑛𝑡𝑟 = − 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝐴𝑒𝑛𝑡𝑟𝑉𝑒𝑙 = 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟�̇�𝑒𝑛𝑡𝑟𝑣 (15) 
Nota-se que se eliminou o sinal negativo uma vez que a direção e sentido do 
vetor velocidade é a mesma do fluxo. 
Dividindo pela vazão molar, obtemos o trabalho de fluxo em forma intensiva 
(�̇�𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜)𝑒𝑛𝑡𝑟 = 
(�̇�𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜)𝑒𝑛𝑡𝑟
�̇�𝑒𝑛𝑡𝑟
= 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑣𝑒𝑛𝑡𝑟 (16) 
Por meio de um argumento semelhante, temos para a saída 
(�̇�𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜)𝑠𝑎í𝑑 = 𝑃𝑠𝑎í𝑑𝑣𝑠𝑎í𝑑 (17) 
Assim a transferência de energia total devido ao trabalho no sistema em termos 
do trabalho de eixo, ws, e do trabalho de fluxo é 
�̇� = �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 + �̇�𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 (18) 
�̇� = �̇�𝑒𝑖𝑥𝑜 + [∑ �̇�𝑒𝑛𝑡𝑟(𝑃𝑣)𝑒𝑛𝑡𝑟 + ∑ �̇�𝑠𝑎í𝑑(−𝑃𝑣)𝑠𝑎í𝑑𝑠𝑎í𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ] (19) 
O trabalho de fluxo não fornece uma fonte de potência, é apenas o “custo” de 
empurrar o fluído para dentro ou para fora do sistema aberto. 
Podemos incluir agora os novos modos pelos quais a energia pode ser trocada 
entre o sistema e as vizinhanças 
0 = ∑ �̇�𝑒𝑛𝑡𝑟(𝑢 + 𝑒𝐾 + 𝑒𝑃)𝑒𝑛𝑡𝑟 −𝑒𝑛𝑡𝑟 ∑ �̇�𝑠𝑎í𝑑(𝑢 + 𝑒𝐾 + 𝑒𝑃)𝑠𝑎í𝑑 + �̇� +𝑠𝑎í𝑑
�̇�𝑆 + [∑ �̇�𝑒𝑛𝑡𝑟(𝑃𝑣)𝑒𝑛𝑡𝑟 + ∑ �̇�𝑠𝑎í𝑑(−𝑃𝑣)𝑠𝑎í𝑑𝑠𝑎í𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ] (20) 
Rearranjando 
 
 
 
17 
 
0 = ∑ �̇�𝑒𝑛𝑡𝑟[(𝑢 + 𝑃𝑣) + 𝑒𝐾 + 𝑒𝑃]𝑒𝑛𝑡𝑟 −𝑒𝑛𝑡𝑟 ∑ �̇�𝑠𝑎í𝑑[(𝑢 + 𝑃𝑣) + 𝑒𝐾 + 𝑒𝑃]𝑠𝑎í𝑑 +𝑠𝑎í𝑑
�̇� + �̇�𝑆 (21) 
Os fluxos de entrada que sempre fluem para dentro de sistemas abertos têm 
termos associados à energia interna e ao trabalho de fluxo; portanto, é 
conveniente agrupar esses termos (de modo que não esqueçamos de algum). 
Chamamos a isto de ENTALPIA, H (J/mol) 
𝐻 ≡ 𝑢 + 𝑃𝑣 (22) 
Uma vez que u, P e v são propriedades termodinâmicas, essa grandeza a 
entalpia, também é. 
No caso em que as energias cinéticas e potenciais possam ser desprezadas a 
primeira lei pode ser escrita para um processo estacionário em um sistema 
aberto 
0 = ∑ �̇�𝑒𝑛𝑡𝑟𝐻𝑒𝑛𝑡𝑟 −𝑒𝑛𝑡𝑟 ∑ �̇�𝑠𝑎í𝑑𝐻𝑠𝑎í𝑑 + �̇� + �̇�𝑆𝑠𝑎í𝑑 (23) 
Conhecido as formas pela qual a energia pode ser transferida ou alterada em um 
sistema, é importante entender como estas informações são uteis para o 
dimensionamento de equipamentos de aquecimento ou refrigeração, mais 
especificamente para os cálculos dos ciclos termodinâmicos de potência. É 
importante compreender os diagramas P x v, T x v, P x h ou T x h. 
2.6 Superfícies P x V x T ou P x h x T 
Nesta seção, analisamos as representações gráficas da relação entre as 
variáveis mensuráveis P, v (volume específico) e T. Embora cada espécie 
química tenha sua própria superfície P-v-T característica, de modo geral os 
aspectos qualitativos mostrados nessas superfícies são comuns a todas as 
substâncias. Estas superfícies têm por finalidade o cálculo e identificação da 
quantidade de determinada substância que está em determinada fase e a 
quantidade que está em outra, ou em somente uma das fases, para as 
condições termodinâmicas estabelecidas de P, v e T. Fornecendo ainda a 
energia que cada estado termodinâmico pode fornecer. Isso se torna um valioso 
conhecimento para os cálculos em projetos de equipamentos utilizados na 
indústria. 
Vamos agora entender como essas superfícies são construídas e assim 
será também possível interpretar as informações fornecidas por elas. 
 
 
 
18 
 
Relembrando as Fases da matéria: SÓLIDA, LÍQUIDA E GASOSA 
Como, através de processo físico podemos mudar a fase de determinada 
substância? 
_______________________________________________________________ 
O conhecimento do comportamento e das propriedades das substâncias é 
essencial na análise de dispositivos e sistemas industriais de refrigeração ou 
aquecimento. É importante compreender como ocorre o equilíbrio líquido-vapor 
e ainda como a água na sua forma líquida pode ficar distribuída em outra fase 
(ar). Isso porque dependendo do teor de água que o ar contém, pode se 
conservar mais ou menos energia na forma térmica neste meio, o que 
implica em redução ou aumento do conforto térmico ou da temperatura em 
câmaras de refrigeração. Assim é importante entender como ocorrem as 
mudanças de fase a diferentes temperaturas e pressões e ainda quanto de 
determinada substância está em determinada fase x e em outra fase y. 
Para construção de um diagrama de fases e posterior das superfícies P-v-
T, vejamos o seguinte raciocínio. Imaginemos o aquecimento de uma substância 
pura a pressão constante. 
Observe que existem regiões monofásicas, e que as linhas continuas 
delimitam essas regiões (condição de equilíbrio). Em cima das linhas estamos 
em regiões bifásicas líquido-vapor, e nelas há “o momento exato da transição de 
uma fase para outra” de uma quantidade relativamente pequena de amostra. 
Vejamos como são chamados os estados determinados pelos números 
Estado 1: Líquido sub-resfriado (ou liq. Comprimido), nessa região, observa-se 
que adicionando calor ao sistema esse aumenta sua temperatura e aumenta um 
pouco o seu volume (magnitude do aumento de volume é muito pequena), MAS 
que nada ocorre com relação à mudança de fase (líquido permanece líquido). 
Estado 2: Líquido saturado, nesse ponto observa-se a primeira bolha de vapor 
se formando, ou seja, começa a transição da fase líquida para a vapor. Isto pode 
ser observado pelo fato de que mesmo se fornecendo calor para o sistema a sua 
temperatura não aumenta até que toda a fase líquida tenha virado vapor. Vale 
salientar que isso ocorre porque a energia fornecida ao sistema agora é utilizada 
 
 
 
19 
 
totalmente para que ocorra a mudança de fases (“quebrar ligações 
intermoleculares de hidrogênio), e o calor envolvido aqui é o calor latente(QL). 
Estado 3: representa o estado em que metade da massa se vaporizou. O volume 
molar representado pelo estado 3 não é característico de qualquer fase do 
sistema; é uma média do líquido e do vapor que usamos para caracterizar o 
volume molar do sistema. 
Estado 4: Vapor saturado, é o ponto em que qualquer energia removida causa a 
condensação de uma primeira gota de líquido (imagine que está resfriando um 
“gás” a P= cte), ou seja começa a transição da fase vapor para a fase líquida. 
Isto pode ser observado pelo fato de que mesmo removendo do calor do sistema 
a sua temperatura não é reduzida até que toda a fase vapor tenha se 
condensado em líquida. Isso ocorre porque a energia removida do sistema agora 
é utilizada totalmente para que ocorra a mudança de fase (“formar ligações 
intermoleculares de hidrogênio), e o calor envolvido aqui é o calor latente (QL). 
Estado 5: Vapor superaquecido, nessa região, observa-se que ao remover calor 
do sistema ocorre a redução da sua temperatura e grande redução de volume 
(magnitude do aumento de volume é muito grande), MAS que nada ocorre com 
relação à mudança de fase (vapor permanece vapor). 
ATENÇÃO 
 A pressão de saturação é a pressão à qual uma substância pura ferve a uma 
determinada temperatura. 
É possível transformar um vapor em um líquido sem mexer na Temperatura (T = 
constante)? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.6.1 Tabelas termodinâmicas 
Para substâncias que geralmente são utilizadas, tais como água, foram 
construídas tabelas de propriedades termodinâmicas que contêm uma série de 
propriedades úteis. O apêndice B (anexado no portal) reproduz uma parte das 
“tabelas de vapor”, nas quais seis propriedades termodinâmicas da água estão 
tabeladas. As propriedades termodinâmicas tabuladas incluem propriedades 
mensuráveis T, P e 𝑣, assim como três outras propriedades que estudaremos 
como a energia interna específica, �̂�, a entalpia específica, ℎ̂, e a entropia 
específica, �̂�. 
TABELAS TERMODINAMICAS NO MATERIAL ENVIADO EM ANEXO 
2.6.2 Calores específicos (ou capacidades caloríficas) 
Sabemos, por experiência, que são necessárias diferentes quantidades de 
energia para elevar em um grau a temperatura de massas idênticas de 
substâncias diferentes. Por exemplo, precisamos de cerca de 4,5 kJ de energia 
para elevar a temperatura de 1 kg de ferro de 20°C para 30°C, enquanto 
precisamos de cerca de 9 vezes essa energia (41,8 kJ para ser exato) para 
elevar a um mesmo valor a temperatura de 1kg de água líquida (Figura 6) 
Portanto, é desejável obter uma propriedade que nos permita comparar as 
 
 
 
21 
 
capacidades de armazenamento de energia de várias substâncias. Essa 
propriedade é o calor específico. 
 
Figura 6. São necessárias diferentes quantidades de energia para aumentar 
em um mesmo valor a temperatura de substâncias diferentes 
Analisando de maneira lógica 
Para o Ferro 
Q= 4500 J; m= 1kg; ΔT= 10°C 
Para a água 
Q= 41800 J; m= 1kg; ΔT= 10°C 
Logo, a água precisa de mais energia para aumentar de 10°C a sua temperatura. 
Porque as suas moléculas estão mais distantes quando comparadas aos átomos 
de ferro na estrutura cristalina sólida. Logo o calor especifico depende do tipo de 
material ou substância 
Calor específico a P constante (Cp) e calor específico a V constante (Cv) 
O calor específico muda de acordo com a maneira com que o calor é 
fornecido a uma determinada substância. Por exemplo, imagine os dois sistemas 
mostrados abaixo. 
 
Figura 7. Calorímetro a Volume constante em (A) e calorímetro a pressão 
constante em (b). 
 
 
 
22 
 
Vejamos o porquê de isso ocorrer 
 
 
 
 
Atenção! 
O calor específico também depende da temperatura para algumas faixas de 
temperatura para cada substância c(T). Isso foi observado através de 
experimentos em calorímetros. Veja os gráficos da Figura 8. 
 
Figura 8. Experimento para determinação da cp a diferentes Temperaturas. 
Calor Latente 
Quando uma substância sofre mudança de fase, a variação na energia 
interna associada a essa transformação é significativa. Precisamos quantificar 
essa energia se quisermos aplicar a primeira lei a um processo que envolve uma 
mudança de fase. Assim como os calores específicos, a energia característica 
envolvida em uma determinada mudança de fase é registrada com base nos 
dados acessíveis. Veja a Figura 9. 
 
Figura 9. Determinação experimental da entalpia de vaporização. 
0
5000
10000
0 50 100 150 200 250
kJ
°C
Aquecimento a p=constante
 
 
 
23 
 
Nessa montagem experimental uma quantidade de A na fase líquida é 
colocada em um sistema fechado bem isolado a pressão constante. Uma 
quantidade mensurável de “calor” é fornecida até que toda a substância A se 
torne vapor. Escolhemos esse sistema a Pressão constante. Assim o calor 
fornecido para que ocorra a total transição de fase da substância A é chamado 
de calor latente porque não podemos “sentir” a entrada de calor através da 
detecção da variação de temperatura, como é o caso do calor “sensível”. 
EXERCÍCIOS SEÇÃO 2 
1. Explique como se constrói um diagrama de fases T x v, e T x h e qual a 
utilidade dos mesmos. 
2. Diga que fase se encontra a substância em cada estado fornecido e indique a 
posição desses estados nos diagramas T x v. 
(a) água a 10 MPa e em 600°C; 
(b) água a 0,2 MPa (200 kPa) e em 900°C; 
(c) água a 120°C e a 500 kPa; 
(d) água a 190°C e a 1000 kPa; 
(e) Amônia a 170°C e a 600 kPa; 
3. Sabendo identificar a fase, diga qual o volume específico da substância no 
estado termodinâmica determinado. 
(a) água a 10 MPa e a 600°C; 
(b) água a 10 bar (1 MPa) e a 215°C; 
4. Considere o aquecimento de 2 kg de vapor de água a 200°C e 1 MPa até 
500°C e 1 MPa. Calcule a entrada de calor necessária utilizando a capacidade 
calorífica. 
5. Vapor de água superaquecida entra em uma turbina com uma vazão mássica 
de 10 kg/s. A pressão de entrada é de 100 bar e a temperatura de entrada é de 
500°C. A saída contém vapor saturado a 1 bar. Calcule a potência em KW gerada 
pela turbina, em estado-estacionário (ou seja, toda energia é fornecida a turbina, 
sem acumulo). 
 
 
 
24 
 
 
3. MÁQUINAS TÉRMICAS E O CICLO DE REFRIGERAÇÃO 
Um ciclo termodinâmico descreve um conjunto de processos por meio dos 
quais um sistema retorna ao mesmo estado em que estava inicialmente. Visto 
que o sistema retorna a seu estado inicial depois que o ciclo foi concluído, todas 
as propriedades têm os mesmos valores que tinham originalmente. Os ciclos 
geralmente são usados para produzir potência ou fornecer refrigeração. A 
vantagem de se executar um ciclo termodinâmico é que, uma vez que o sistema 
retorna ao seu estado inicial, o ciclo pode ser repetido continuamente. Há 
diversos exemplos de ciclos termodinâmicos; aqui examinaremos um desses 
ciclos, o ciclo de Carnot. Aprenderemos que um ciclo de Carnot representa o tipo 
mais eficiente de ciclo possível, pois esse ocorre de modo reversível. 
3.1 O Ciclo de Carnot 
1 → 2 é o processo de vaporização ocorrendo na caldeira, água líquida saturada 
absorve calor a uma temperatura constante TQ, e produz vapor saturado. 
2 → 3 é uma expansão adiabática e reversível do vapor saturado na região 
bifásica para produzir uma mistura de líquido e vapor saturado a TF. Essa 
expansão isentrópica é representada por uma linha vertical. 
3 → 4 é um processo de condensação parcial no qual calor é rejeitado a TF. 
4 → 1 traz o ciclo novamente à sua origem, produzindo água líquida saturada no 
ponto 1. Nesta etapa ocorre um processo de compressão isentrópico 
representado por uma linha vertical. 
 
 
 
 
25 
 
Esse ciclo pode ser representado em diagramas T x V e T x S de modo a se 
compreender como os estados termodinâmicos mudam ao longo das etapas do 
processo. 
 
 
 
 
 
 
A primeira lei é aplicada aos 4 principais elementos dociclo: 
Bomba 
Caldeira [trocador de calor] 
Turbina 
Condensador [trocador de calor] 
Sendo importante definir as hipóteses adotadas para esse processo. 
- reversibilidade em todos os componentes 
- energia potencial desprezível 
- em geral, energia cinética desprezível 
- perdas de pressão na caldeira e no condensador desprezíveis 
- Bombas e turbinas são considerados isentrópicas 
Vejamos as equações de projeto para cada equipamento (ver caderno). 
 
 
 
 
 
26 
 
 
 
Na realidade: 
1-2 e 3-4: até que se aproximam de processos reais (se o atrito for baixo) 
2-3 e 4-1: expansão e compressão bifásicas 
(difíceis de implementar na prática!) 
 
O problema do Ciclo de Carnot está relacionado a: 
- Turbinas alimentadas por vapor saturado produzem uma corrente de saída com 
alta quantidade de líquido, fato que causa problemas de erosão nas pás da 
turbina. 
- Ainda mais difícil é o projeto de uma bomba que seja alimentada por uma 
mistura de líquido e vapor (ponto 4) e descarregue um líquido saturado na 
caldeira (ponto 1) 
Então é importante utilizar um modelo alternativo ao ciclo de Carnot, que também 
é reversível, mas que elimina os problemas apontados acima. Esse ciclo é o 
Ciclo de Rankine. 
 
 
 
 
 
 
 
 
27 
 
 
3.2 Ciclo de Rankine 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
EXEMPLO 1 
Um ciclo de Rankine tem uma pressão de exaustão na turbina de 0,1 bar (0,01 
MPa). O título do vapor que deixa a turbina é igual a 0,8. Determine a eficiência 
térmica do ciclo se a pressão de entrada na turbina for de 150 bar (15 MPa) e a 
temperatura de 600°C. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
28 
 
 
EXEMPLO 2 
Vapor d’água gerado em uma planta de potência, na pressão de 8600 kPa e na 
temperatura de 500°C é alimentado em uma turbina. Ao sair da turbina, esse 
entra em um condensador a 10 kPa, onde ele é condensado, tornando-se líquido 
saturado, que é então bombeado para a caldeira. Assim qual a eficiência térmica 
de um ciclo de Rankine operando nessas condições? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
29 
 
 
Estratégias para aumento da eficiência no ciclo de Rankine 
Em virtude das usinas a vapor serem responsáveis pela produção da 
maior parte energia elétrica do mundo, mesmo pequenos aumentos de eficiência 
térmica podem significar uma economia de combustível considerável. Em todas 
as alternativas de como se aumentar a eficiência a ideia é a mesma: 
Aumentar a temperatura média na qual o calor é transferido para o fluido 
de trabalho na caldeira ou diminuir a temperatura na qual o calor é rejeitado do 
fluido de trabalho no condensador. 
Da própria eficiência de Carnot: 𝜂𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 = 1 −
𝑇𝑚𝑖𝑛
𝑇𝑚𝑎𝑥
 
1° Ao se reduzir a pressão no condensador, a temperatura na qual o calor é 
rejeitado também diminui. Vejamos 
 
 
 
 
 
 
 
PROBLEMAS ASSOCIADOS: 
- O valor limite de Tcond é ditado pela temperatura do meio para o qual o calor é 
rejeitado (rio, atmosfera, etc.) 
- Valores de pcond < patm geram infiltrações 
- Uma pressão muito baixa pode causar baixos títulos na saída da turbina 
(presença de gotículas). 
2° Outra possível saída seria superaquecer o vapor a temperaturas mais altas 
Ao se superaquecer o vapor na caldeira, a temperatura na qual o calor é 
fornecido aumenta 
 
 
 
 
30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROBLEMAS ASSOCIADOS: 
- A temperatura até a qual o vapor pode ser superaquecido é limitada por 
questões metalúrgicas (limite de aproximadamente 620°C para Tsuperaq → 
busca por novos materiais). 
 
3° Outra opção seria aumentar a pressão na caldeira 
Ao se aumentar a pressão na caldeira, a temperatura na qual o calor é fornecido 
aumenta 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROBLEMAS ASSOCIADOS: 
- O título é reduzido de 4 para 4’ (entretanto, este problema pode ser contornado 
pelo reaquecimento do vapor, como veremos na sequência). 
 
 
 
31 
 
 
3.3 Ciclo de refrigeração 
Acompanhe o seguinte ciclo de refrigeração de Carnot. Os componentes de 
um ciclo de Carnot de refrigeração são apresentados na Figura 10. 
 
Figura 10. O ciclo frigorífico de Carnot. 
Os componentes são, um compressor, dois trocadores de calor e um motor 
térmico, que pode ser uma válvula de expansão. 
1-2 ocorre compressão adiabática e reversível (sem atrito). 
2-3 ocorre rejeição de calor a temperatura constante 
3-4 ocorre expansão adiabática e reversível em um motor térmico 
4-1 ocorre remoção isotérmica de calor de um ambiente a baixa 
temperatura. 
Os processos 1-2 e 3-4 ocorre de forma adiabática e reversível, podendo 
se concluir que a entropia permanece constante. Verifica-se que o ciclo de 
Carnot é composto de dois processos isotérmicos e de dois processos 
isentrópicos. 
3.3.1 O ciclo de Carnot com um refrigerante ideal 
O ciclo de Carnot é aquele de maior eficiência, entretanto deve se 
reconhecer que processos de compressão ou expansão sem atrito são 
impossíveis, embora processos isotérmicos possam ser reproduzidos na prática, 
 
 
 
32 
 
por meio de processos que ocorram mudança de fase (evaporação e 
condensação) do refrigerante a pressão constante. 
Na Figura 11.a é exposto um ciclo de Carnot contido na região de saturação 
em um diagrama p x h, e na Figura 11.b é exposto o mesmo ciclo no diagrama 
T x s. 
 
 
Figura 11. Ciclo de Carnot de refrigeração em diagramas (a) P x h e (b) T x h. 
A descrição do ciclo será iniciada pelo processo 4-1, em que o refrigerante 
evapora a pressão constante. O processo de mudança de fase é concluído no 
estado 1, em que o líquido ainda se encontra misturado ao vapor. O estado 1 
deve ser tal que, concluído o processo de compressão, o estado seja o de vapor 
 
 
 
33 
 
saturado, como o estado 2. Este poderia, eventualmente, estar associado a um 
estado na região de saturação. O próximo processo é o 2-3, em que a pressão 
se mantém constante, enquanto o refrigerante condensa. A pressão é 
denominada de pressão de condensação, associada a uma temperatura 
denominada de temperatura de condensação. A condensação é concluída no 
estado 3, de líquido saturado. O processo de expansão isoentrópica, a partir do 
estado 3, leva o refrigerante de volta ao estado 4. 
O ciclo proposto na Figura 11 é passível de ser reproduzido por meio da 
utilização de um condensador, no processo de rejeição de calor a alta 
temperatura, e de um evaporador no processo de remoção de calor do ambiente 
a baixa temperatura. 
3.3.2 O coeficiente desempenho (COD) 
A eficiência de ciclo é normalmente definida com relação a energia útil, que 
é o objetivo do ciclo, e a energia que deve ser paga para a obtenção do efeito 
desejado. No caso dos ciclos frigoríficos o objetivo é produzir um efeito de 
refrigeração. Vejamos a Figura 12. 
 
Figura 12. Máquina térmica de refrigeração. 
 
 
 
34 
 
Pela primeira lei da termodinâmica para sistemas fechados, toda a energia que 
entra na máquina, tem que ser igual a energia que sai. Logo 
𝑞𝑓 + 𝑤𝑙í𝑞 = 𝑞𝑞 (24) 
Sendo qf o calor “sugado” da fonte fria, wlíq o trabalho líquido, dado pelo trabalho 
fornecido ao refrigerante pelo compressor e cedido pelo refrigerante no motor 
térmico ou válvula de expansão. 
O Coeficiente de desempenho é dado por 
𝐶𝑂𝐷 =
𝑞𝑓
𝑤𝑙í𝑞
 (25) 
Podemos rearranjar a equação (25) em termos da equação (24), assim teríamos 
𝐶𝑂𝐷 = 
𝑞𝑓
𝑞𝑞−𝑞𝑓
 (26) 
E relacionando com as temperaturas, teríamos 
𝐶𝑂𝐷 = 
𝑇𝑓
𝑇𝑞−𝑇𝑓
 (27) 
EXEMPLO 3 
Um compressor circula 1,4 kg/s de R-22, recebendo o refrigerante na admissão 
em um estado para o qual a entalpia é igual a 405 kJ/kg. Na descarga, o estado 
do refrigerante é tal que sua entalpia é de 440 kJ/kg. A potência fornecida ao R-
22 pelo compressor é de 62 kW. Nessas condições, qual deve ser a taxa de 
transferência de calor entre o refrigerantee o meio? 
 3.3.3 Análise do ciclo de Carnot através das entalpias 
Outro modo de avaliar o desempenho de ciclos poderias ser pelo emprego 
de vazões e entalpias para o cálculo das taxas de transferência de calor em 
trocadores de calor e pela determinação da potência transferida ao refrigerante 
no processo de compressão. Vejamos o Exemplo 4 
EXEMPLO 4 
A instalação Frigorífica demonstrada abaixo, opera segundo um ciclo de Carnot 
como ilustrado também na sequência. O refrigerante é o R-502 e sua vazão no 
circuito é de 1,4 kg/s. As temperaturas de condensação e de evaporação são 
respectivamente iguais a 30°C e -10°C. Nessas condições, determine: 
 
 
 
35 
 
 
 
(a) As entalpias correspondentes aos estados indicados no circuito; 
(b) A taxa de resfriamento no evaporador; 
(c) A potência do motor térmico; 
(d) A taxa de rejeição de calor no condensador e 
(e) O COD do ciclo. 
 
 
 
36 
 
UNIDADE 2 - REFRIGERAÇÃO 
2.1. REFRIGERAÇÃO 
Até o momento estudamos as definições de conforto térmico e refrigeração 
industrial, os fundamentos termodinâmicos e máquinas térmicas e o ciclo de 
refrigeração. Agora iremos aprofundar nosso estudo em refrigeração, 
especificamente em ciclos de refrigeração mais próximo dos reais. 
2.1.1 Compressão de vapor seco comparada à compressão de vapor úmido 
Nas próximas seções, algumas modificações do ciclo de Carnot serão 
introduzidas, tendo como objetivo aproxima-lo de uma condição mais realista, 
que resultará no denominado “Ciclo Padrão de Compressão a Vapor”. Assim, 
dois processos do ciclo de Carnot da Figura 13 serão revistos: a compressão e 
a expansão. O primeiro nesta seção, ao passo que a expansão será abordada 
na seção seguinte. Na Figura 13, o ciclo é novamente mostrado no diagrama p-
h. A compressão a partir de um estado em que coexistam as fases líquido e 
vapor, estado 1, é denominada de compressão úmida, uma vez que ocorre com 
a presença da fase líquido. Esta pode dar origem a alguns problemas. Entre os 
principais, a diluição do óleo de lubrificação pela presença de refrigerante líquido 
nas paredes dos cilindros em compressores alternativos. Tal diluição acarreta 
uma significativa redução da eficiência de lubrificação do óleo. Outro problema 
é a possibilidade de erosão das válvulas pelo refrigerante líquido. Uma última 
dificuldade causada pela compressão úmida está relacionada à dificuldade de 
controlar as vazões de líquido e de vapor de modo que o estado da mistura seja 
o estado 1, a partir do qual o processo de compressão resulte em um estado de 
descarga correspondente ao estado 2, de vapor saturado. 
Vejamos o seguinte exemplo. 
EXEMPLO 5 
Uma instalação frigorífica opera segundo um ciclo, como o 1’-2’-3-4 da Figura 
13. O refrigerante é R-502 e as temperaturas de evaporação e condensação são 
respectivamente iguais a -10°C e 30°C. A vazão de refrigerante é de 1,4 kg/s. 
Esse ciclo substitui, assim, a compressão úmida pela seca. Determine: 
 
 
 
37 
 
 
Figura 13. Compressões úmida e seca. 
(a) As entalpias de todos os estados indicados no ciclo; 
(b) A taxa de resfriamento no evaporador; 
(c) A potência de compressão; 
(d) A potência do motor térmico; 
(e) A taxa de rejeição de calor no condensador e 
(f) O COD do ciclo. 
A Figura 14 (abaixo), é definida com base no anexo B-5, fornecido em aula. 
 
Figura 14. Compressão isentrópica na região de vapor superaquecido. 
 
 
 
38 
 
EXERCÍCIO 
Considerando um ciclo frigorífico ideal, que utiliza R134a. A temperatura do fluido 
é -0°C no evaporador e 40°C no condensador. Sabendo que a vazão mássica 
de refrigerante é 0,03 kg/s, determine o coeficiente de desempenho e o calor 
removido. 
 
2.1.2 O motor térmico comparado ao dispositivo de expansão 
Até o momento foi demonstrado, no ciclo de refrigeração, o uso de um 
motor térmico para expansão do fluido refrigerante. O processo demonstrado na 
Figura 14 agora será revisto, no sentido de transformar o Ciclo de Carnot de 
refrigeração em um Ciclo Padrão de Compressão a Vapor. Inicialmente a 
expansão do refrigerante líquido do estado de alta pressão, estado 3, para o de 
baixa pressão, estado 4, foi realizada por intermédio de um motor térmico 
reversível, resultando em um processo 3-4 isoentrópico. O trabalho produzido 
pelo motor era utilizado no processo de compressão 1-2. Entretanto, uma 
expansão por um motor é uma idealização, sendo que o que se encontra é 
realização deste processo utilizando um dispositivo (válvula) de expansão. 
Nesse dispositivo de expansão o processo não ocorre de forma reversível, por 
tanto não é isentrópico, entretanto ele contínua sendo adiabático, sem troca de 
calor com o meio externo. Outra observação que é importante, é que não há 
trabalho na expansão do fluido neste dispositivo, logo pela 1º Lei da 
termodinâmica para sistemas abertos temos que h3 = h4. Assim a substituição do 
motor térmico por um dispositivo de expansão resulta em um ciclo como ilustrado 
pela Figura 15. 
0,03 
 
 
 
39 
 
 
 
 
Figura 15. Ciclo de refrigeração aonde o motor térmico foi substituído por uma 
válvula de expansão. (a) a instalação e (b) o diagrama p-h do ciclo com 
compressão seca. 
EXEMPLO 6 
Uma instalação frigorífica opera segundo o ciclo 1’-2’-3’-4’ da Figura 15. O 
refrigerante R-502 e as temperaturas de evaporação e de condensação são 
respectivamente iguais a -10 e 30°C. A vazão de refrigerante é de 1,4 kg/s. 
Determine: 
(a) As entalpias de todos os estados indicados no ciclo; 
(b) A taxa de resfriamento no evaporador; 
(c) A potência de compressão; 
(d) A taxa de rejeição de calor no condensador e 
(e) O COD do ciclo. 
2.1.3 O ciclo de compressão a vapor e suas variantes 
As modificações no ciclo de Carnot, como a compressão seca e a 
eliminação do motor térmico, levaram ao estabelecimento do denominado Ciclo 
Padrão de Compressão de Vapor, ilustrado inicialmente na Figura 15 e 
reproduzido no diagrama da Figura 16. Tal ciclo consiste nos seguintes 
processos: 
1-2 compressão isoentrópica até a pressão de condensação; 
2-3 redução da temperatura do vapor seguida de condensação até líquido 
saturado a pressão constante; 
 
 
 
40 
 
3-4 expansão isoentálpica até a pressão de evaporação no dispositivo de 
expansão; 
4-1 evaporação até o estado de vapor saturado a pressão constante. 
 
Figura 16. Ciclo Padrão de Compressão a Vapor. 
A completa determinação dos estados representativos do Ciclo Padrão de 
Compressão a Vapor pode permitir aos engenheiros de refrigeração a avaliação 
mais ou menos precisa da vazão de refrigerante e a vazão volumétrica deslocada 
pelo compressor, além de propiciar uma estimativa adequada de pressões e 
temperaturas. A potencia real do compressor pode também ser razoavelmente 
estimada se a eficiência do compressor for corretamente assumida. Essa 
eficiência se encontra ao redor dos valores de 75 a 80%. 
Em circuitos frigoríficos dotados de válvula de expansão termostática, o 
refrigerante na saída do evaporador deve estar no estado de vapor 
superaquecido, em virtude das características operacionais deste tipo de válvula. 
Por outro lado, é muito comum que, como resultado de trocas de calor do 
refrigerante condensado com superfícies frias, o estado do mesmo na saída do 
condensador seja de líquido comprimido. As duas situações representam um 
afastamento do Ciclo Padrão de Compressão a Vapor, resultando em um ciclo 
como o ilustrado na Figura 17. 
 
 
 
41 
 
 
Figura 17. Ciclo Padrão de Compressão a Vapor com Estados alterados na saída 
do evaporador e do condensador. 
EXEMPLO 7 
Em uma instalação frigorífica a amônia opera a pressões manométricas de 
evaporação e de condensação iguais, respectivamente, a 190 kPa e 1000 kPa. 
O refrigerante deixa o evaporador 5°C superaquecido, ao passo que na saída do 
condensador o seus sub-resfriamento é de 3°C. A capacidade de refrigeração 
dessa instalação é de240 kW. Determine: 
(a) As temperaturas de evaporação e de condensação, além das 
temperaturas do refrigerante nas saídas do evaporador e do 
condensador; 
(b) A vazão volumétrica deslocada pelo compressor, medida no estado 
correspondente à aspiração; 
(c) A temperatura do refrigerante na descarga do compressor; 
(d) A potência de compressão, admitindo que o processo seja isoentrópico.