A água é muito utilizada em ciclos de potência, enquanto o R-134a é utilizado em ciclos de refrigeração. Explique por que cada substância é mais adequada para a sua aplicação.

Passo 1

O enunciado pede para compararmos dois fluidos de trabalho em ciclos termodinâmicos: a água em ciclos de potência (como o ciclo Rankine) e o R-134a em ciclos de refrigeração (como o ciclo de compressão de vapor). O que precisamos usar é a teoria de ciclos termodinâmicos em regime estacionário, em especial as fórmulas de eficiência térmica e de coeficiente de desempenho, e as propriedades físicas dos fluidos (temperatura crítica, pressão de vapor, entalpia de vaporização).

Passo 2

Para um ciclo de potência ideal baseado em calor Q_\mathrm{in} a uma temperatura alta T_H e rejeição Q_\mathrm{out} a T_C, a eficiência de Carnot é
\eta_\mathrm{Carnot} = 1 - \frac{T_C}{T_H}.
Para maximizar \eta precisamos operar com T_H o mais elevado possível e manter T_C relativamente baixo. A água possui: \bullet temperatura crítica alta ( T_{\mathrm{crit}}\approx 647,K), permitindo vaporizar e aquecer o fluido a milhares de kelvins sem chegar ao ponto crítico; \bullet grande entalpia de vaporização ( \approx 2257 kJ/kg), o que gera grande trabalho na turbina por kg de fluido; \bullet ampla região de fases líquida-vapor, favorecendo trocas de calor na caldeira e condensador.
Essas características permitem ciclos com alta temperatura de turbina e boa eficiência, além de a água ser barata, não tóxica e ecologicamente inofensiva.

Passo 3

Já num ciclo de refrigeração de compressão de vapor queremos retirar calor Q_L de um reservatório frio a T_L e rejeitá-lo a T_H. O coeficiente de desempenho (COP) de Carnot é
\mathrm{COP}_\mathrm{Carnot} = \frac{T_L}{T_H - T_L}.
Para maximizar \mathrm{COP} precisamos de um fluido que vaporize a baixas temperaturas e condense a pressões e temperaturas próximas às do ambiente: \bullet o ponto de ebulição do R-134a a 1 atm é -26{,}3\,^\circ\mathrm{C}, adequado para refrigeração doméstica e industrial; \bullet a pressão de trabalho no condensador e evaporador fica numa faixa prática (centenas de kPa), requerendo compressores de tamanho e custo moderados; \bullet o R-134a tem entalpia de vaporização suficientemente alta nessa faixa de temperaturas, gerando bom efeito frigorígeno por kg de fluido; \bullet é quimicamente estável, não corrosivo, praticamente não tóxico e não inflamável, além de ter baixo potencial de esgotamento de ozônio (comparado a CFCs antigos).

Resposta

A água é ideal para ciclos de potência porque suporta altas temperaturas e pressões, tem grande entalpia de vaporização e, ao permitir temperaturas de turbina elevadas, leva a eficiências térmicas altas. O R-134a é ideal para refrigeração porque vaporiza a baixas temperaturas e pressões compatíveis com o ambiente, fornece bom efeito frigorígeno e é seguro e estável para sistemas de compressão de vapor.

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