Explique detalhadamente os princípios de funcionamento dos equipamentos abaixo:
a) Refrigerador doméstico (Dica: GREF, Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Vol. 2 Edusp, 2000).
a) Refrigerador doméstico (Dica: GREF, Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Vol. 2 Edusp, 2000).
Passo 1
O enunciado pede para explicar o princípio de funcionamento de um refrigerador doméstico. O conteúdo principal é a termodinâmica de ciclos de refrigeração por compressão de vapor. Para resolver, vamos precisar entender cada componente do ciclo (compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador), como ocorre o fluxo de calor e trabalho, e como isso resulta em resfriamento interno.
Passo 2
Começamos com o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, que usa um fluido refrigerante em quatro etapas sucessivas: compressão, rejeição de calor, expansão e absorção de calor. A cada etapa mudam pressão e temperatura do fluido, permitindo extrair calor de dentro do refrigerador e rejeitá-lo no ambiente.
Passo 3
O compressor suga o refrigerante em baixa pressão e baixa temperatura, na forma de vapor saturado ou ligeiramente úmido. Ele faz trabalho sobre o fluido, comprimindo-o e elevando sua pressão e temperatura até um nível acima da temperatura do ambiente externo. Esse trabalho é fornecido pelo motor elétrico do refrigerador.
Passo 4
O vapor quente e de alta pressão sai do compressor e entra no condensador, que é um serpentinal metálico na parte traseira do aparelho. No condensador o fluido libera calor para o ambiente ambiente (cozinha), condensa e se transforma em líquido saturado de alta pressão. É aqui que ocorre a rejeição de calor.
Passo 5
O líquido de alta pressão passa pelo dispositivo de expansão (válvula de orifício ou tubo capilar). Ao atravessá-lo, sofre queda brusca de pressão e parte do líquido evapora instantaneamente, provocando forte resfriamento do restante do fluido sob baixa pressão.
Passo 6
O fluido frio e de baixa pressão entra no evaporador, um conjunto de serpentinas dentro do compartimento refrigerado. Nesse trocador o refrigerante absorve calor do interior do refrigerador, evapora completamente e retorna ao compressor na forma de vapor, fechando o ciclo.
Passo 7
Do ponto de vista da Primeira Lei da Termodinâmica para ciclo estacionário, temos balanço entre calor absorvido
, calor rejeitado
e trabalho de compressor
:
A eficiência do sistema é medida pelo coeficiente de desempenho
onde
é o calor retirado do interior e
é o trabalho elétrico consumido.
Passo 8
Em resumo, o refrigerador doméstico funciona alternando fases de alta e baixa pressão do refrigerante para transportar calor de dentro para fora. O compressor aumenta pressão e temperatura; o condensador rejeita calor; o dispositivo de expansão provoca resfriamento; e o evaporador absorve calor do interior. É esse ciclo contínuo que mantém o interior frio.
Resposta
O refrigerador doméstico opera um ciclo de refrigeração por compressão de vapor:
(a) o compressor eleva a pressão e temperatura do refrigerante vapor.
(b) no condensador o fluido libera calor ao ambiente e se liquefaz.
(c) na válvula de expansão ocorre queda de pressão e resfriamento.
(d) no evaporador o refrigerante absorve calor do interior, evaporando, e retorna ao compressor.
O balanço de calor e trabalho obedece à Primeira Lei e a eficiência é dada por .
(a) o compressor eleva a pressão e temperatura do refrigerante vapor.
(b) no condensador o fluido libera calor ao ambiente e se liquefaz.
(c) na válvula de expansão ocorre queda de pressão e resfriamento.
(d) no evaporador o refrigerante absorve calor do interior, evaporando, e retorna ao compressor.
O balanço de calor e trabalho obedece à Primeira Lei e a eficiência é dada por