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).

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 Q_0, calor rejeitado Q_1 e trabalho de compressor W:
Q_1 = Q_0 + W.
A eficiência do sistema é medida pelo coeficiente de desempenho
\text{COP} = \frac{Q_0}{W},
onde Q_0 é o calor retirado do interior e W 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 \text{COP} = Q_0/W.

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