Termodinâmica
Eng. Ambiente
(nocturno)
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.1
Máquinas térmicas:
Dispositivos cíclicos, cujo fluido operante retorna ao estado
inicial no fim de cada ciclo
Trabalho realizado pelo fluido operante durante parte do cíclico
Trabalho realizado neste fluido operante na fase restante
=
Balanço de trabalho fornecido pela máquina
O rendimento de um ciclo de uma máquina térmica depende
em grande parte da forma como são realizados os processos
que compõem o ciclo.
O balanço de trabalho e o rendimento do ciclo são
maximizados pelos:
 processos que necessitam o mínimo trabalho possível
processos
 processos que realizem o máximo trabalho possível
Ciclos
mais
eficientes


reversíveis
Ciclos constituídos
inteiramente por
processos reversíveis
Termodinâmica
Eng. Ambiente
(nocturno)
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
4.2
Ciclos reversíveis:
 impossíveis, na prática, pois não se podem eliminar as
irreversíbilidades associadas a cada processo
 servem como limites superiores ao desempenho de ciclos
reais
 base para o desenvolvimento de ciclos reais, sendo
modificados de modo a obter os resultados pretendidos.
Ciclo De Carnot:
 ciclo reversível mais conhecido
 proposto em 1824 por Sadi Carnot
 máquina térmica de Carnot
 composto por 4 processos reversíveis : 2 isotérmicos e 2
adiabáticos.
 pode realizar-se em sistema fechado ou com escoamento
em regime permanente.
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.3
Ciclos de Potência
Duas importantes da aplicação da termodinâmica são a
produção de potência e a refrigeração, geralmente realizadas
por sistemas que funcionam com um ciclo termodinâmico.
 Ciclos de potência: ciclos termodinâmicos segundo os quais
funcionam os dispositivos ou sistemas utilizados para
produzir um débito de potência (geralmente denominados
motores).
 Ciclos de refrigeração: ciclos termodinâmicos segundo os
quais funcionam os dispositivos ou sistemas utilizados para
produzir o efeito
de refrigeração
(denominam-se
frigoríficos, aparelhos de ar condicionado ou bombas de
calor)
 Ciclos de vapor : fluido operante permanece na fase
gasosa durante a totalidade do ciclo
 Ciclos de gás : fluido operante encontra-se na fase de
vapor durante parte do ciclo e na fase líquida no restante
período.
 Ciclos fechados: o fluido operante retorna ao estado
inicial no fim do ciclo, sendo recirculado
 Ciclos abertos: o fluido é renovado no fim cada ciclo em
vez de ser reutilizado.
Termodinâmica
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(nocturno)
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.4
Nos motores de automóveis, os gases de combustão são
expelidos e substituídos por uma mistura nova de ar e
combustível no fim de cada ciclo. O motor funciona num ciclo
mecânico, mas o fluido operante não completa a totalidade de
um ciclo termodinâmico.
As máquinas térmicas são categorizadas:
 combustão externa (tais como centrais térmicas a vapor),
a energia é fornecida ao fluido através de uma fonte externa,
tal como uma caldeira, poço geotérmico, reactor nuclear ou
até o Sol
combustão interna (tal como um motor de automóvel), o
fornecimento de calor é realizado pela queima do combustível
no interior da fronteira do sistema.
Os ciclos encontrados nos dispositivos reais são de difícil
análise devido à presença de efeitos complexos, tais como o
atrito e a ausência de tempo suficiente para o
estabelecimento de condições de equilíbrio durante o ciclo.
De forma a tornar o estudo analítico viável é necessário
manter as complexidades a um nível controlável e utilizar
algumas simplificações.
Quando o ciclo real é desprovido de todas as
irreversibilidades internas e complexidades, obtém-se um
ciclo que se assemelha bastante a um composto totalmente
por processos internamente reversíveis: ciclo ideal
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.5
Os motores térmicos são projectados, com o intuito de
converter formas de energia (geralmente na forma de calor)
em trabalho, sendo o seu desempenho expresso em termos do
rendimento térmico t que representa a razão entre o
trabalho útil produzido pela máquina e o calor total recebido.
t 
Wbal
Qadm
As máquinas térmicas que funcionam num ciclo totalmente
reversível como o de Carnot, apresentam o máximo
rendimento térmico de todas as máquinas térmicas que
funcionam entre mesmos níveis de temperatura, ou seja, não
é possível desenvolver um ciclo mais eficiente que o ciclo de
Carnot.
A maior parte dos ciclos encontrados na prática diferem
significativamente do de Carnot, tornando-o inadequado como
ciclo realista.
Os ciclos ideais são internamente reversíveis mas, ao
contrário do ciclo de Carnot podem não ser externamente
reversíveis. Ou seja, podem desenvolver irreversibilidades
externas ao sistema, tal como transferência de calor com
diferença finita de temperatura. Portanto, o rendimento
térmico de um ciclo real é geralmente inferior ao de um
totalmente reversível que funciona entre os mesmos limites
de temperatura. Porém, este é ainda consideravelmente
superior ao de um ciclo real, devido às idealizações utilizadas.
Termodinâmica
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1º Ano
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.6
As idealizações e as simplificações geralmente utilizadas na
análise de -potência podem ser resumidas a:
 o ciclo não envolve qualquer atrito ⇔ o fluido operante não
sofre qualquer perda de carga, à medida que se escoa por
tubos ou dispositivos permutadores de calor.
 todos os processos de expansão e de compressão ocorrem
em quase-equilíbrio.
 as condutas que ligam os diversos componentes de um
sistema são bem isoladas sendo desprezável a transferência
de calor através destas.
 desprezam-se ainda as energias cinética e potencial do
fluido operante. Isto é válido, visto que em dispositivos que
envolvam trabalho do veio, tais como turbinas, compressores
e bombas, os termos das energias cinética e potencial são
geralmente muito pequenos em relação a outros termos da
equação da energia.
As velocidades do fluido encontradas nos dispositivos, como
condensadores, caldeiras e tanques, são normalmente baixas,
e os caudais de fluido sofrem pequenas variações nas suas
velocidades, implicando variações de energia cinética
desprezáveis.
Termodinâmica
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1º Ano
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.7
As tubeiras e difusores são os únicos dispositivos em que as
variações desta energia são significativas, pois estes são
especificamente projectados para grandes variações de
velocidade.
Os diagramas de propriedades, tais como os de p-v e T-s,
serviram como auxiliares valiosos na análise de processos
termodinâmicos. Em ambos os diagramas, a área limitada
pelas curvas dos processos constitui o trabalho real
produzido durante o ciclo, que é também equivalente à
transferência de calor do ciclo.
Este tipo de ciclo não envolve qualquer irreversibilidade
interna, sendo a transferência de calor o único efeito que
pode variar a entropia do fluido operante durante o processo.
Num diagrama T-s, o processo de adição de calor procede na
direcção do aumento de entropia, enquanto um processo de
rejeição de calor procede na direcção da diminuição de
entropia, e um isentrópico (internamente reversível e
adiabático) procede com entropia constante.
Neste diagrama, a área abaixo da curva do processo
representa a transferência de calor.
Qadm : área abaixo do processo de adição de calor é a medida
geométrica do calor total fornecido durante o ciclo
Qsai : a área abaixo do processo de rejeição de calor é a
medida do calor total rejeitado.
A diferença entre estas duas (a área definida pela curva do
ciclo) é o balanço de transferência de calor ⇔ o balanço de
trabalho produzido durante o ciclo.
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.8
Portanto, num diagrama T-s, a razão entre a área interior ao
ciclo e a área abaixo da curva do processo de adição de calor
representa o rendimento térmico do ciclo.
Qualquer modificação que aumente a razão destas duas áreas
irá também melhorar o rendimento térmico do ciclo.
Embora o fluido operante de um ciclo de potência ideal
funcione em circuito fechado, o tipo de processos individuais
que compõem o ciclo depende dos dispositivos individuais
empregues para realizar o ciclo.
No ciclo de Rankine que é o ciclo ideal para centrais térmicas
a vapor, o fluido operante atravessa uma série de dispositivos
com escoamento em regime permanente, tais como turbinas e
condensadores, enquanto no ciclo Otto, que é o ciclo ideal
para motores de combustão interna a gasolina, o fluido
operante é altamente expandido e comprimido num dispositivo
êmbolo-cilindro.
Portanto, devem-se utilizar as equações relativas a sistemas
com escoamento em regime permanente na análise do ciclo de
Rankine e equações relativas a sistemas fechados na análise
do ciclo de Otto.
Ciclo de Carnot e o valor na Engenharia
O ciclo de Carnot, é constituído por quatro processos
totalmente reversíveis: adição isotérmica de calor, expansão
isentrópica, rejeição isotérmica de calor e compressão
isentrópica.
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.9
Este ciclo pode ser realizado num sistema fechado
(dispositivo êmbolo-cilindro) ou num sistema com escoamento
em regime permanente (utilizando duas turbinas e dois
compressores).
Pode utilizar-se um gás ou vapor como fluido operante. O ciclo
de Carnot,é o mais eficiente que pode ser realizado entre
uma fonte quente à temperatura TQ e uma fonte fria à
temperatura TF, sendo o seu rendimento térmico expresso
como
t ,Carnot  1 
TF
TQ
Termodinâmica
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1º Ano
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.10
A transferência de calor isotérmica e reversível é
extremamente difícil de alcançar na realidade, pois seriam
necessários um permutador de calor muito grande e um
período de tempo muito longo.
Não é prático construir uma máquina que funcionaria num
cicio muito próximo do de Carnot.
O valor real do ciclo de Carnot resulta do facto de este ser
tido como padrão e comparação de ciclos reais ou ideais. O
rendimento térmico de um ciclo de Carnot é somente função
das temperaturas das fontes quente e fria.
O rendimento térmico aumenta com o incremento da
temperatura média à qual o calor é fornecido ao sistema ou
com a diminuição da temperatura média à qual o calor é
rejeitado pelo sistema. ⇔ Ideia válida para ciclos reais e
ideais.
As temperaturas das fontes quente e fria que podem ser
utilizadas na prática estão contudo limitadas.
A temperatura máxima do ciclo está limitada pela resistência
dos componentes da máquina térmica, tais como o êmbolo ou
as pás da turbina. A menor temperatura está limitada pela
temperatura do meio de arrefecimento utilizado, tal como um
lago, um rio ou o ar atmosférico.
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.11
Ciclo a Vapor de Carnot
Admite -se o vapor de água como fluido operante, pois este é
vulgarmente utilizado nos ciclos de potência a vapor.
Considere um ciclo de Carnot com escoamento em regime
permanente realizado na região de saturação de uma
substância pura.
O fluido é aquecido de uma forma reversível e isotérmica
numa caldeira (processo 1-2), expandido isentropicamente
numa turbina. (processo 2-3) condensado de uma forma
reversível e isotérmica num condensador (processo 3-4) e
comprimido isentropicamente por um compressor até ao
estado inicial (processo 4-1).
Existem várias dificuldades associadas a este processo:
1. A transferência isotérmica de calor de ou para um sistema
bifásico não é difícil de se alcançar na prática visto que
mantendo a pressão constante no dispositivo, o valor da
temperatura de saturação virá automaticamente fixado.
Termodinâmica
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1º Ano
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.12
Os processos 1-2 e 3-4 podem ser aproximados por caldeiras
e condensadores reais.
Limitar os processos de transferência de calor a sistemas
bifásicos limita consideravelmente a temperatura máxima que
pode ser utilizada pelo ciclo (deve permanecer inferior ao do
ponto crítico, 374º C para a água). ⇔ constrange o
rendimento térmico.
Qualquer tentativa para aumentar a temperatura máxima do
ciclo ⇔ a transferência de calor para o fluido operante que
se encontra numa única fase, sendo difícil de realizar
isotermicamente.
2. O processo de expansão isentrópica (processo 2-3) pode
ser aproximado por uma turbina bem projectada.
O título de vapor diminui durante este processo. ⇔ a turbina
processará vapor com elevado teor de humidade ⇔ A colisão
de gotas de líquido nas pás da turbina provoca a sua erosão.
Portanto vapor com título inferior a cerca de 90% não pode
ser utilizado em centrais térmicas. Este problema poderia ser
eliminado através da utilização de um fluido operante que
apresente uma linha de vapor saturado muito inclinada.
3. A compressão isentrópica (processo 4-1) envolve a
compressão de uma mistura de líquido e vapor para líquido
saturado. Existem 2 dificuldades
- não é fácil controlar o processo de condensação com
precisão suficiente, de modo a obter o título desejado no
estado 4
Termodinâmica
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1º Ano
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.13
- não é viável projectar um compressor que processe 2 fases
Alguns destes problemas podem ser eliminados pela
realização do ciclo de Carnot de uma forma diferente,(fig b).
Surgem outros problemas, tais como a compressão
isentrópica até pressões extremamente elevadas e a
transferência de calor isotérmica a pressões variáveis.
Conclui-se que o ciclo de Carnot não pode ser aplicado aos
dispositivos reais, não podendo ser utilizado como modelo
adequado para ciclos vapor.
Ciclo de Rankine: O Ciclo Ideal de Potência a Vapor
Muitas das dificuldades podem ser eliminadas através do
sobreaquecimento do vapor numa caldeira e a completa
condensação num condensador. O resultado é o ciclo de
Rankine, que não envolve quaisquer irreversbilidades internas
e consiste nos seguintes quatro processos:
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1º Ano
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.14
1-2 Compressão isentrópica numa bomba
2-3 Adição de calor a pressão constante numa caldeira
3-4 Expansão isentrópica numa turbina
4-1 Rejeição de calor a pressão constante num
condensador
Na bomba entra água como líquido saturado (estado 1),
sendo comprimida isentropicamente até à pressão de serviço
da caldeira.
A temperatura , devido à ligeira  do volume específico da
água.
A água entra na caldeira como líquido comprimido (estado
2), saindo como vapor sobreaquecido (estado 3).
A caldeira consiste basicamente num permutador de calor de
grandes dimensões onde o calor cedido pelos gases de
combustão, reactores nucleares ou outras fontes é
transferido para a água a pressão essencialmente constante.
A caldeira, em conjunto com a secção onde o vapor é
sobreaquecido (sobreaquecedor), é denominada gerador de
vapor.
O vapor sobreaquecido (estado 3) entra na turbina onde é
expandido isentropicamente, produzindo trabalho pela
rotação do veio ligado ao gerador eléctrico.
Durante este processo, a temperatura e a pressão do vapor 
para os valores do estado 4, e o vapor entra no condensador.
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.15
Neste estado o vapor encontra-se geralmente na fase
saturada com elevado título.
O vapor é condensado a pressão constante no condensador,
que é basicamente um permutador de calor de grandes
dimensões, pela rejeição de calor para o meio de
arrefecimento, tal como um rio, lago ou atmosfera.
O vapor sai do condensador como líquido saturado e entra
na bomba, completando o ciclo. Em regiões onde a água é um
bem precioso, as centrais são arrefecidas por ar.
A área abaixo da curva do processo no diagrama T-s
representa o calor transferido em processos internamente
reversíveis.
A área abaixo da curva do processo 2-3 representa o calor
transferido para a água na caldeira.
A área abaixo da curva do processo 4-1 representa o calor
rejeitado no condensador.
A diferença entre estes dois valores (área definida pelo
ciclo) representa o trabalho produzido pelo ciclo.
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.16
Maquinas Frigorificas e Bombas de Calor
Uma das aplicações principais da termodinâmica consiste na
refrigeração, que representa a transferência de calor de uma
região a uma temperatura inferior para outra a uma
temperatura superior.
O ciclo frigorífico mais vulgar é o de compressão de vapor, no
qual
o
frigorigénio
é
vaporizado
e
condensado
alternadamente, sendo a compressão realizada na fase de
vapor.
Outros ciclos incluem:
refrigeração em cascata (utiliza mais de um ciclo)
refrigeração a gás, ( frigorigénio permanece na fase gasosa
durante todo o ciclo)
refrigeração por absorção (frigorigénio é dissolvido num
líquido antes de ser comprimido)
refrigeração termoeléctrica (a refrigeração é produzida
através da passagem de corrente eléctrica através de dois
materiais dissimilares).
Sabe-se por experiência que o calor se escoa na direcção da
diminuição da temperatura.
Este processo de transferência de calor ocorre na natureza
sem necessidade de qualquer dispositivo.
O processo inverso não ocorre espontaneamente. A
transferência de calor de uma região a uma baixa
temperatura para outra a uma temperatura elevada requer
dispositivos especiais denominados máquinas frigoríficas ou
frigoríficos.
Termodinâmica
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1º Ano
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.17
As máquinas frigoríficas são dispositivos cíclicos, sendo o
fluido operante empregue denominado frigorigénio.
QF : calor retirado do espaço arrefecido à temperatura TF
QQ : calor rejeitado para o espaço quente à temperatura T Q
Wbal,adm : balanço de trabalho admitido na máquina
frigorífica..
Outro dispositivo que transfere calor de um meio a uma baixa
temperatura para um meio a uma temperatura superior é a
bomba de calor. As máquinas frigoríficas e as bombas de
calor são essencialmente os mesmos dispositivos, diferindo
apenas nos seus objectivos.
A função de uma máquina frigorífica é manter o espaço
arrefecido a uma temperatura baixa através da remoção de
calor. A descarga de calor para um meio a temperatura
superior é apenas uma operação necessária mas não o seu
intuito.
O objectivo de uma bomba de calor é manter um espaço
aquecido a uma temperatura elevada. Isto é conseguido
através da absorção de calor de uma fonte fria, tal como a
água de um poço ou ar frio exterior no Inverno e fornecê-lo a
um meio mais quente, tal como o interior de uma casa.
O desempenho de máquinas frigoríficas e bombas de calor é
expresso em termos de coeficiente de desempenho (COP)
COPF 
QF
Débito desejado
Efeito de arrefecime nto


Fornecimen to necessário
Trabalho fornecido
Wbal ,adm
COPBC 
QQ
Débito desejado
Efeito de aqueciment o


Fornecimen to necessário
Trabalho fornecido
Wbal ,adm
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.18
Estas relações podem também ser expressas na forma de
taxa substituindo as quantidades QF , QQ e
Wbal,adm



por QF ,QF e Wbal ,adm
Note que ambos COPBC e COPF podem ser superiores à
unidade, sendo a relação entre eles
COPBC = COPF + 1
Esta relação implica que COPBc > 1, visto que COPF é uma
quantidade positiva, i.e., uma bomba de calor irá funcionar, no
pior caso, como um aquecedor eléctrico de resistências,
fornecendo a mesma energia para o interior de uma casa
como a que consome.
Na realidade, parte de QQ é perdido para o exterior através
das condutas e outros dispositivos, e COPBC pode ser inferior
à unidade quando a temperatura exterior é demasiado baixa
(o sistema de aquecimento central normalmente comuta para
resistências eléctricas ou para um combustível).
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.19
Ciclo de Carnot Inverso
Visto que é um ciclo reversível, todos os quatro processos
podem ser invertidos.
A inversão do ciclo também troca as direcções de quaisquer
interacções de calor de trabalho. O resultado é um ciclo que
funciona na direcção anti-horária, denominado ciclo de Carnot
inverso.
Uma máquina frigorífica, ou bomba de calor, que opera
segundo este ciclo denomina-se máquina frigorífica de
Carnot, ou bomba de calor de Carnot.
Considere um ciclo de Carnot inverso realizado no interior da
região de saturação de um frigorigénio.
processo 1-2
processo 2-3
processo 3-4
processo 4-1
absorve calor QF isotermicamente da fonte fria aTF
comprimido isentropicamente até ao estado 3 (a
temperatura eleva-se para TQ),
rejeita calor QQ isotermicamente para a fonte
quente a TQ (frigorigénio muda do estado de vapor
saturado para o de líquido saturado no condensador)
expande-se isentropicamente para o estado 1 (a
temperatura desce para T F).
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.20
1º Ano
Os coeficientes de desempenho das máquinas frigoríficas e
das bombas calor de Carnot são
COPF ,Carnot 
1
TQ TF  1
e COPBC ,Carnot 
1
TF TQ  1
Nota: os COP aumentam, à medida que a diferença entre duas
temperaturas diminui, i.e., T F  e T Q. 
O ciclo de Carnot inverso é o mais eficiente a funcionar entre
dois reservatórios de temperatura definidas, não sendo, no
entanto, o é modelo adequado para os ciclos em estudo.
Os processos isotérmicos de transferência de calor podem
ser realizados, já que a manutenção da pressão constante
automaticamente fixa a temperatura de uma mistura bifásica
no valor de saturação, logo
os processos podem ser
aproximados nos evaporadores e condensadores reais.
Mas o processo 2-3 envolve a compressão de uma mistura de
líquido e saturado que necessita de um compressor capaz de
funcionar com duas fases e o 4-1 envolve a expansão de
frigorigénio com elevado teor de humidade.
Aparentemente, estes problemas poderiam ser eliminados
pela execução do ciclo de Carnot inverso fora da região de
saturação. Mas neste caso seria difícil as condições
isotérmicas durante os processos de absorção e de rejeição
de calor.
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.21
Ciclo Frigorífico Ideal por Compressão de Vapor
Muitas das dificuldades associadas ao ciclo inverso de Carnot
podem ser eliminados pela vaporização completa do
frigorigénio antes de ser comprimido e pela substituição da
turbina por um dispositivo estrangulador, tal como uma
válvula de expansão ou um tubo capilar. O resultado é o ciclo
frigorífico ideal por compressão de vapor
Este ciclo é o mais utilizado em frigoríficos, aparelhos de ar
condicionado e bombas de calor, sendo constituído por quatro
processos:
1-2 Compressão isentr6pica num compressor
2-3 Rejeição de calor a pressão constante num condensador
3-4 Expansão numa válvula
4-1 Absorção de calor a pressão constante num
evaporador
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.22
1º Ano
Num ciclo frigorífico ideal por compressão de vapor, o
frigorigénio:
Estado 1: entra no compressor como vapor saturado, sendo
comprimido isentropicamente até à pressão do condensador
(a temperatura do fluido eleva-se acima do valor do meio
ambiente).
Estado 2: entra
sobreaquecido
no
condensador
na
fase
de
vapor
Estado 3: sai como líquido saturado, resultante da rejeição
de calor para a vizinhança. (a temperatura do fluido é ainda
superior à da vizinhança).
O frigorigénio é estrangulado até à pressão do evaporador,
devido à passagem por uma válvula de expansão ou tubo
capilar. A temperatura do fluido diminui para um valor
inferior ao da temperatura do meio arrefecido.
Estado 4: entra no evaporador como uma mistura saturada
com um valor reduzido de título, sendo totalmente
vaporizado, devido à absorção de calor do espaço
refrigerado.
O fluido sai do evaporador como vapor saturado e entra
novamente no compressor, completando o ciclo.
Num frigorífico doméstico, o compartimento do congelador
serve de evaporador, onde calor é absorvido pelo frigorigénio.
A serpentina localizada na traseira serve de condensador,
onde calor é dissipado para o ar exterior.
Termodinâmica
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1º Ano
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.23
A área abaixo da curva do processo
num diagrama T-s representa a
transferência de calor de processos
internamente reversíveis.
A área abaixo do processo 4-1
representa o calor absorvido pelo
frigorigénio no evaporador, e a área
abaixo de 2-3 representa o calor
rejeitado no condensador.
Como regra geral, o COP melhora em 2 a 4% por cada °C de
aumento da temperatura do evaporador ou diminuição da
temperatura do condensador.
Outro diagrama frequentemente utilizado na análise de ciclos
frigoríficos por compressão de vapor é o P-h. Neste, três ou
quatro processos surgem como linhas rectas, e a
transferência de calor no condensador e no evaporador é
proporcional aos comprimentos das curvas correspondentes
aos processos.
Note-se que, o ciclo de refrigeração ideal por compressão de
vapor não é internamente reversível, devido à existência de
um processo irreversível (estrangulamento). Se o dispositivo
de estrangulamento fosse substituído por uma turbina
isentrópica, o fluido entraria no evaporador no estado 4’ em
vez de no estado 4. Devido a isto, a capacidade de
refrigeração aumentaria e o trabalho fornecido diminuiria (no
valor do trabalho debitado pela turbina). Contudo, esta
substituição não seria viável, visto que os benefícios não
justificam o custo e a complexidade adicionais.
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
1º Ano
5.24
Todos os quatro componentes associados à refrigeração por
compressão de vapor são de escoamento em regime
permanente, pelo que os quatro processos que compõem o
ciclo podem ser analisados como sendo de escoamento em
regime permanente. As variações das energias cinética e
potencial são geralmente muito pequenas em relação aos
termos de trabalho e de transferência de calor, podendo ser
desprezadas. Assim, a equação da energia de escoamento em
regime permanente por unidade de massa reduz-se a:
(qadm - qsai) + (wadm - wsai) = hs – he
O condensador e o evaporador não envolvem qualquer
trabalho, e a compressão pode ser aproximada como
adiabática. Assim, os COP das máquinas frigoríficas e das
bombas de calor que funcionam com o ciclo frigorífico por
compressão de vapor podem ser expressos como
COPF 
qF
w bal ,adm
COPBC 
qQ
w bal ,adm

h1  h4
h2  h1

h2  h3
h2  h1
Em que h1=hg@p1 e h3=hf@p3 , para o caso ideal.
Inicialmente, os sistemas de refrigeração eram de grandes
dimensões, sendo utilizados principalmente para a produção
de gelo, fermentação e armazenamento frio. Não tinham
controlo automático e eram accionados por máquinas a vapor.
Termodinâmica
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1º Ano
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.25
Nos anos de 1890, iniciou-se a substituição por unidades mais
pequenas accionadas por motores eléctricos com controlo
automático, surgindo sistemas de refrigeração em talhos e
residências.
Em 1930, os melhoramentos permitiram a existência de
sistemas de refrigeração por compressão de vapor
relativamente eficientes, fiáveis, compactos e pouco
onerosos.
Ciclos Frigorificos Reais por Compressão de Vapor
Num ciclo frigorífico real por compressão de vapor difere do
ideal devido principalmente às irreversibilidades (atrito no
fluido que provoca perdas de carga e a transferência de calor
para a vizinhança) que ocorrem nos vários componentes.
Termodinâmica
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Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.26
Na prática, pode não ser possível controlar o estado do fluido
de um modo muito preciso. É mais fácil projectar o sistema,
de modo a que o frigorigénio se encontre ligeiramente
sobreaquecido à entrada do compressor.
Este ligeiro sobredimensionamento garante que o frigorigénio
se encontre totalmente vaporizado quando entra no
compressor. A conduta que liga o evaporador ao compressor é
geralmente muito comprida e a perda de pressão provocada
pela perda de carga no fluido e a transferência e calor da
vizinhança para o frigorigénio podem ser muito significativas.
O resultado do sobreaquecimento, é o aumento do volume
específico que eleva o valor da potência a fornecer ao
compressor (trabalho de escoamento em regime permanente
é proporcional ao volume específico).
O processo de compressão num ciclo ideal é internamente
reversível e adiabático, sendo portanto isentrópico. Contudo,
o processo de compressão real envolve efeitos de atrito que
aumentam a entropia e a transferência de calor, que poderão
aumentar ou diminuir a entropia do frigorigénio, dependendo
da direcção.
A entropia pode  (processo 1-2) ou  (processo 1-2’) durante
uma compressão real, dependendo do efeito predominante.
O processo de compressão 1-2' pode até ser mais desejável
do que um processo isentrópico, visto que o volume específico
do frigorigénio, e portanto o trabalho fornecido, é inferior.
Nas situações reais, é inevitável alguma perda de carga do
condensador e nas condutas de ligação entre este último e o
compressor e para a válvula de estrangulamento.
Termodinâmica
Eng. Ambiente
(nocturno)
1º Ano
Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos
5.27
Não é fácil realizar o processo de condensação com uma
precisão tal que o frigorigénio se encontre em líquido
saturado no final, sendo indesejável conduzi-lo para a válvula
antes de se condensar. Portanto, o frigorigénio é ligeiramente
subarrefecido antes de entrar na válvula de expansão. Isto
não é relevante, visto que neste caso o fluido entra no
evaporador com uma entalpia inferior, podendo assim
absorver mais calor do espaço arrefecido.
A válvula de expansão e o evaporador são geralmente
localizados próximos um do outro, de modo a que a perda de
carga da conduta de ligação seja pequena.