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Termodinâmica – Máquina térmica (geladeira).

 

02/02/2010

Autor e Coautor(es)
José Marcelo Gomes
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VICOSA - MG COL DE APLICACAO DA UFV - COLUNI

Edson Luis Nunes, Daniel Rodrigues Ventura, Isnard Domingos Ferraz, José Ângelo de Faria.

Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula

Entender o funcionamento das máquinas térmicas convencionais. Entender o funcionamento de uma máquina frigorífica, ou geladeira. Saber diferenciar as máquinas térmicas convencionais da máquina térmica do tipo frigorífica.

Duração das atividades
Uma aula de 50 minutos.
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

Calor e transformações termodinâmicas particulares: isotérmica, isométrica, adiabática e isobárica.

Estratégias e recursos da aula

Comece dizendo aos alunos que uma máquina térmica nada mais é que um conjunto de transformações termodinâmicas, que acontecem numa ordem específica, com o objetivo de transformar energia térmica em trabalho. Explique então o funcionamento de uma máquina térmica convencional simples, como a máquina a vapor ou a máquina de Heron. Depois diga que a geladeira é uma máquina térmica diferente. Ela funciona ao contrário. Pode-se dizer, a grosso modo, que ela tem o objetivo de transformar trabalho em energia térmica.

Pergunte agora se alguém sabe dizer o porque desta diferença. É preciso que seja dado um bom tempo de discussão entre eles para que tentem responder a esta pergunta. Havendo resposta correta ou não dê a explicação seguinte de maneira sucinta.

Diga a eles que o calor somente flui naturalmente de uma região de maior temperatura para a de menor temperatura. Mas, a geladeira tem o objetivo inverso. Então, como fazer o calor fluir da região de menor para a de maior temperatura já que não é um processo natural?

Dê um tempo também para que tentem responder a esta pergunta. Depois deixe claro que isso só acontece de uma única maneira: realizando-se trabalho sobre o sistema...

A seguir, apresente a Figura 1. Ela é uma visão externa de uma geladeira onde pode-se ver cada parte da mesma e a interação entre elas, bem como a integração geral de todo o sistema.

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Figura 1 - Esquema externo de uma geladeira doméstica.

Disponível em: http://www.eletrodomesticosforum.com/imagens_novo/pagina_inicial3/geladeira2.gif

A partir desta figura, explique a função de cada componente:

-- compressor: tem a função de realizar trabalho sobre o gás, e, consequentemente, provocar sua movimentação no sentido desejado;

-- condensador: o gás é liberado no condensador (serpentina atrás da geladeira), e, por estar mais quente que o meio externo ele cede a energia retirada da parte interna da geladeira para o meio ambiente;

-- capilar: ligação entre condensador e evap orador;

-- evaporador: o gás é liberado no evaporador (dentro do congelador), e, por estar mais frio que a parte interna da geladeira, ele retira energia térmica de dentro dela (dos alimentos) para poder conduzir para fora;

- - gás freon: fluido operante, que sofrerá compressão e expansão, sucessivas e alternadas, com objetivo d e conduzir o calor da parte interna da geladeira para a parte externa.

A18_F2_Esquema_interno_geladeira_domestica

Figura 2 - Esquema interno de uma geladeira doméstica.

Disponível em: http://www.eletrodomesticosforum.com/imagens_novo/pagina_inicial3/geladeira1.gif

Agora, apresente a Figura 2 e mostre porque, onde e em que sequência acontece cada uma das transformações termodinâmicas desta máquina térmica, a saber:

--compressor: a realização de trabalho sobre o gás aumenta sua pressão para até em torno de 10 atmosferas, o que provoca elevação de sua temperatura;

--condensador: o gás é então liberado dentro do condens ador (atrás da geladeira) mais quente que o meio externo e portanto perde calor para o meio, ou seja, manda a energia térmica retirada do interior da geladeira para o meio externo;

-- válvula de expansão: controla a passagem do gás, que veio do condensador e agora está no capilar, para o evaporador;

-- tubo capilar: ao sair do capilar para o evaporador ocorre a diminuição da sua temperatura (para em torno de -19oC) e redução da pressão, por intermédio de sua expansão;

-- evaporador: realiza uma expansão do gás, onde o mesmo realiza trabalho às custas de sua energia interna, portanto, com diminuição de temperatura. Tem o objetivo de tornar o gás mais frio que os alimentos, para que o calor destes flua para o gás e depois seja levado para fora da geladeira.

Faça o fechamento desta aula dizendo que sem o estudo que foi feito sobre transformações termodinâmicas e a compreensão de cada uma das transformações particulares não seria possível entender o funcionamento da geladeira, e de nenhuma outra máquina térmica.

Diga aos alunos que a geladeira, como já foi dito, é uma máquina térmica especial pois funciona de modo inverso em comparação com todos as outras máquinas térmicas, por isso ela deve ser estudada separadamente (receber atenção especial). Após esta aula, eles já poderão comparar as máquinas térmicas convencionais com as máquinas térmicas do tipo frigorífica, saber dizer o que as máquinas térmicas em geral têm em comum (incluindo a geladeira) mas saber dizer também o que a máquina frigorífica tem de diferente das demais em termos de modo de funcionamento.

Máquina de Heron

Máquinas térmicas

Recursos Educacionais
Nome Tipo
Máquinas térmicas Experimento prático
Máquina de Heron Animação/simulação
Recursos Complementares

Aprenda mais sobre a máquina frigorífica, ou geladeira:

USP: http://www.cepa.if.usp.br/energia/energia1999/Grupo2B/Refrigeracao/geladeira.htm

FísicaFácil: http://www.fisicafacil.pro.br/refrigerador.htm

Grupo Tchê: http://www.deboni.he.com.br/tq/repor/geladeira.htm

Wikipédia: http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_frigor%C3%ADfica

NEWTON, V.B; HELOU, R.D.; GUALTER, J.B. Tópicos de Física 2 – Termologia, Ondulatória e Óptica. São Paulo: Editora Saraiva, Vol. 2, 448p., 18a Ed., 2007.

Avaliação

Elabore inicialmente questões onde o aluno deverá explicar o funcionamento de uma máquina térmica convencional, porém simples, como o motor de uma locomotiva a vapor. Explicar o funcionamento é dizer quais transformações termodinâmicas acontecem, em qual ordem, e a importância de cada uma delas no funcionamento da máquina. Depois peça a eles que expliquem também o funcionamento de máquinas térmicas mais complexas como o motor de um automóvel, mas na forma de trabalho extra-classe, para que possam utilizar-se de livros ou da internet na busca de informações.

Depois, peça para que expliquem porque as máquinas térmicas do tipo frigrorífica são diferentes das máquinas térmicas convencionais e qual a razão desta diferença.

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