Guia do Professor
Objeto de aprendizagem:
Geladeiras ou Refrigeradores
NOA - UFPB
Você está acessando o guia do professor, que contém as instruções que possibilitam tirar melhor
proveito do objeto de aprendizagem (OA) “Geladeiras ou Refrigeradores” – instrumento construído por
especialistas.
Nele você encontrará informações específicas sobre uma metodologia centrada no uso do OA
para o processo de construção dos conhecimentos científicos que versam sobre o Ciclo de
Refrigeração. A auto-explicação é uma de nossas metas a ser atingida durante a aprendizagem.
Esta condição é um grande desafio para todos nós (especialistas professores e aprendizes);
portanto destacamos uma série de aspectos neste guia, que possibilitam uma trilha favorável ao sucesso
nesta investida.
Contamos com o seu apoio e facultamos o uso integral ou parcial deste instrumento em suas
atividades pedagógicas.
Cordialmente
Romero Tavares
Coordenador do NOA
I – Introdução
A intenção deste objeto de aprendizagem é facilitar a construção dos conceitos da Física por
aprendizes do ensino médio nas duas modalidades, em um curso presencial ou à distância. A
metodologia desenvolvida tem como linha prioritária o construtivismo e como fundamentação para o
processo de construção do conhecimento científico é a teoria da Aprendizagem Significativa de David
Ausubel. Esse objeto foi elaborado na perspectiva de se apresentar como um material educacional
potencialmente significativo, que pretende facilitar a aprendizagem significativa (ou aprendizagem de
significados) de seus usuários a ponto de ser considerado um verdadeiro andaime cognitivo. Uma de
suas potencialidades é a de ser utilizado tanto como uma etapa prévia da construção de conceitos mais
gerais, na medida em que instiga os alunos a formarem seus conceitos sobre o tema considerado. Assim
como na construção de conceitos mais específicos em atividades mediadas pelo professor, o que
proporciona ao aprendiz um clima mais atento e receptivo ao assunto que ele irá explorar e aprofundar.
Outra de suas potencialidades é um processo avaliativo congruente com a metodologia
desenvolvida. O que possibilita a obtenção de dados mais realistas sobre a construção do
conhecimento. Enfim trata-se de uma ferramenta de valia a favor da construção de significados.
Elaborada sem perder de vista que de maneira geral as pessoas adquirem ao longo da vida a sua
maneira peculiar de lidar com um conteúdo novo a ser aprendido, e cada ser humano tem o seu estilo
pessoal de aprender.
II - Objetivos
Geral:
Compreender os fundamentos físicos do processo de refrigeração e usar os princípios termodinâmicos e
da mecânica, para estabelecer relações entre calor, energia e trabalho, em cada parte componente de
uma geladeira ou refrigerador.
Específicos:
• Caracterizar a geladeira doméstica nos referentes termodinâmicos e mecânicos.
• Estabelecer a formulação específica do Princípio da Conservação da Energia.
• Identificar cada uma das transformações gasosas por que passam a substância de trabalho usada
no Ciclo de Refrigeração, através das variáveis do estado do sistema.
• Estabelecer o ciclo idealizado de Refrigeração como um modelo teórico que impõe o limite
máximo, o coeficiente de desempenho que é a razão entre o calor extraído do interior e o
trabalho realizado pelo motor.
• Apresentar de forma lógica ou intuitiva que a energia pode ser transformada de forma para outra,
tendo como exemplo, no processo de refrigeração.
• Evidenciar a importância dos ciclos termodinâmicos continuamente no tempo, em várias
aplicações da engenharia destacando a mudança de fase da qual sofre o fluido refrigerante.
• Ressaltar a importância dos subsistemas mecânicos (condensador, evaporador, válvula de
expansão e compressor) das geladeiras como um aparato trabalhando de modo sincronizado ao
sistema termodinâmico (fluido refrigerante) que possibilitam a retirada de energia dos alimentos
e a liberação desta, ao ambiente, no mesmo ciclo.
• Identificar um processo quase estático (condição de reversibilidade) como um modelo idealizado,
composto de uma sucessão de estados de equilíbrio. Cada um com um desvio infinitesimal da
condição de equilíbrio anterior, servindo como base para a comparação dos processos reais.
III-Pré-requisitos
•
•
•
•
•
Sistema Termodinâmico;
Gás não-Ideal;
Princípio da Conservação da Energia;
Mudança de estado;
Transformações Termodinâmicas
IV - Tempo previsto para a atividade
TEMA
Geladeira e seus componentes
ATIVIDADE
Presencial ou à
Distância
TEMPO IDEAL
3 horas
Ciclo de Refrigeração
Avaliação
Idem
Idem
3 horas
3 horas
O intervalo de tempo mínimo para execução de determinada atividade deve ser mensurado
levando-se em consideração o ritmo individual ou do grupo que a executa, e as necessidades para o
sucesso da mesma.
A construção do conhecimento é um processo idiossincrático, portanto, está associado ao ritmo
próprio de cada aprendiz. Se o aprendiz encontrar dificuldades na construção de um conceito, mesmo
face às informações que lhes são disponibilizadas considere um intervalo de tempo extra para que
possa acessar mais vezes um mesmo instrumento. Ou para descobrir outras pistas nos diversos recursos
que compõe o OA. Talvez ele entenda melhor sob outro ponto de vista. Considere ainda a possibilidade
que este tempo pode ser minimizado em eventos presenciais com a mediação do professor, evitando
desperdícios.
V - Na sala do computador
•
Requerimentos técnicos:
O OA foi desenvolvido através da plataforma Macromedia Flash Professional 8.0 e requer que o
usuário disponha de um plug-in Adobe Flash Player 8.0. Este plug-in pode ser encontrado e
rapidamente instalado em sua máquina a partir do site www.adobe.com. O OA foi desenvolvido para
solicitar o menor recurso computacional possível, o que permite aos computadores de menor
desempenho executar perfeitamente este aplicativo educacional.
• Preparação:
O uso do OA na sala de informática segue a linha da integração virtual e tem como suporte
fundamental, o uso do computador como plataforma de informação em tempo real.
O ideal seria alocar no máximo dois aprendizes por máquina. Caso contrário deve-se disponibilizar a
turma em frente ao computador nos limites de resolução da tela do monitor associado ao conforto
visual dos aprendizes. Em caso de público maior sugerimos o uso do data-show acoplado ao
computador.
• Durante a atividade:
Este objeto foi construído vislumbrando o máximo possível à auto-explicação de forma a
possibilitar ao aprendiz a autonomia necessária à construção do conhecimento com algumas variantes
no processo, sem equivalência entre elas:
Interação: aprendiz (turma) → OA → conceitos do Ciclo de Refrigeração
Interação: aprendiz (turma) → OA → conceitos do Ciclo de Refrigeração em processo mediado pelo
professor.
Interação: grupo de estudos (aprendizes e/ou professor) com participantes distribuídos, mas interligados
em rede → OA → conceitos do Ciclo de Refrigeração.
Seria interessante, em atividades mediadas sistematizar algumas lógicas:
• Conceber e administrar situações-problema ajustadas ao nível e possibilidades cognitivas do
aprendiz.
• Negociar um processo avaliativo congruente com o OA.
• Observar e avaliar os alunos em aprendizagem de acordo com uma abordagem formativa.
• Administrar a heterogeneidade cognitiva no âmbito da turma.
• Proporcionar um ambiente favorável ao desenvolvimento da autonomia do aprendiz que
permita articular suas visões.
• Articular a solução de problemas com a construção dos conceitos do Ciclo de Refrigeração.
Consideramos que a maneira de como conduzir o processo de ensino-aprendizagem influencia tanto
quanto o conteúdo.
VI - Atividades complementares
• Para saber mais
Será disponibilizado no OA além da janela de animação, um mapa conceitual construído por
especialistas levando-se em consideração a hierarquia dos conceitos que versam o tema Ciclo de
Refrigeração.
E, como forma de bibliografia complementar disponibilizamos um texto sobre os elementos que
compõe as Geladeiras ou Refrigeradores tratados no OA cuja abordagem permite a elucidação de
alguns aspectos que talvez possam está ocultos nos outros instrumentos do OA.
• Questões para discussão
Sugerimos que após as atividades de aprendizagem se envolva o aprendiz em situações de
resolução de problemas que necessitem um grau maior de abstração sobre a temática. Como sugestão
disponibilizamos algumas questões (desafio) que podem ser trabalhadas. Por outro lado, esta sessão
visa obter indicadores que nos permitam apreciar os aspectos auto-explicativos presentes no OA.
Destacamos que ao longo da apresentação da animação, algumas informações relevantes (vinheta)
que favorecem a construção de significados foram consideradas.
VII – Avaliação
O objeto de aprendizagem privilegia em seu processo avaliativo o exercício da cognição, a
aprendizagem significativa e a habilidade do aprendiz na solução de problemas.
Ressaltamos o caráter singular da sua construção, em congruência com os objetivos do OA.
No que se refere ao critério adequado à construção de significados, optamos pela Taxonomia de
Bloom Revisada, por ser auto-consistente com a validade do instrumento.
A avaliação é de caráter formativo, flexível e dinâmica. Embora enfatize a posse dos conceitos,
a sua relevância prima pela construção do conhecimento. Podendo ser considerada mais que um
diagnóstico, isto é, mais uma ferramenta colaborativa no processo de ensino-aprendizagem.
VIII - Sugestões de leitura
AUSUBEL, David. NOVAK, J. D.; HANESIAN, H. Psicologia Educacional. Rio de Janeiro: Editora
Interamericana, 1980.
- Alvarenga, B.; Máximo, A. Física de olho no mundo do Trabalho. Scipione. São Paulo- SP, 2003.
- Ferracini, Gerson. aprendendo Física, Biografias, v. 2. Scipione. São Paulo- SP, 1996.
- Gaspar, Alberto. Física. v. 1. Ediora Ática. São Paulo- SP, 2000.
- GREF- Grupo de Reelaboração do ensino de Física, Física, v. 1. EDUSP, São Paulo – SP, 2000.
- Nussenzveig, H. Moysés. Curso de Física. v. 1. Edgard Blücher. São Paulo-SP, 1981.
- Resnick, Robert; Halliday, David. Fundamentos da Física. v. 1. Livros Técnicos e Científicos. Ed.
Ltda. Rio de janeiro- RJ, 1996.
- Young, Hugh D.; Freedman, Roger A., Sears ; Zemansky. Física I. Addisson Wesley- São Paulo SP,
2004.
- Mark, W. Zemansky. Calor e Termodinâmica. Ed. Guanabara Dois – Rio de Janeiro- RJ, 1978.
Desafios
Objeto de Aprendizagem: Refrigeradores
NOA UFPB
1) Você já deve ter observado que o congelador fica na parte superior na geladeira e o espaço
reservado as verduras na parte inferior, porque isso é importante? Que conceito físico você utilizaria
para explicar essa aplicação tecnológica?
2) O fato de o calor ser transferido naturalmente de um corpo para outro deve-se:
a) ao número de calorias existentes em cada um;
b) à energia cinética total de suas moléculas;
c) à diferença de temperatura entre eles;
d) à quantidade de calor existente em cada um;
3) Você já deve ter notado que envolta do congelador da geladeira há formação de gelo. Porque isso
acontece? Será que há uma relação entre o consumo de energia elétrica e a formação de gelo
envolta do congelador?
4) Em dias chuvosos todo mundo sabe que é complicado para secar roupas e sapatos. Uma “idéia
brilhante” seria colocar as meias, por exemplo, para secarem atrás da geladeira. Quais as
conseqüências que esse ato pode trazer? Em que isso influencia no funcionamento da geladeira?
5) Seguindo a linha das “idéias brilhantes”, em um dia de calor da uma vontade de se refrescar
dentro da geladeira não é? Então porque não deixamos a porta da geladeira aberta para que assim a
cozinha (ambiente) fique a uma temperatura mais baixa?
6) O interior da geladeira é formado por prateleiras onde os alimentos são colocados para refrigerar.
Você já deve ter notado que essas prateleiras são gradeadas deixando um bom espaço entre as
grades. Por que isso é importante no processo de refrigeração dos alimentos?
7) Sabemos que o calor é transferido de um corpo de maior para outro de menor temperatura. Como
então podemos explicar que a geladeira consegue “contrariar a natureza”?
Geladeiras ou Refrigeradores
Objeto de Aprendizagem: Geladeiras ou
Refrigeradores
NOA UFPB
Depois de uma caminhada na praia, de uma volta de bicicleta ou uma partida de
futebol nada melhor do que um belo copo de água gelada para ajudar a refrescar. Mas
como se consegue uma água tão gelada em meio a uma temperatura ambiente? É fácil
lembrar que existe uma máquina que é utilizada para deixar a temperatura da água, do
sorvete e outros alimentos bem abaixo da temperatura ambiente, é a nossa tão conhecida
geladeira ou refrigerador.
Sabemos que a energia térmica é transferida de um corpo de maior temperatura
para outro de menor temperatura. Então como é que colocando alguma coisa dentro de
um refrigerador ele diminui sua temperatura?
Um refrigerador é basicamente uma máquina que utiliza uma substância
refrigerante forçada a realizar um percurso constituído de tubos passando por diversas
regiões. Essas regiões são o compressor, o condensador, o tubo capilar (ou uma válvula
de expansão) e o evaporador.
No caso das geladeiras domésticas a substância utilizada é o freon 12 (CCl2F2) que
possui algumas características especiais: não é combustível, não explode, não apresenta
cheiro, não é tóxico, é barato, baixa temperatura de vaporização (ou de condensação)
com um valor grande para o calor latente, entre outras vantagens. Entretanto, nem tudo é
perfeito, apesar dessas inúmeras
vantagens, o freon 12 é um gás que
agride a camada de ozônio e está
sendo substituído por outros gases
menos poluentes.
Para nosso estudo vamos
considerar
como
substância
refrigeradora o freon 12, e começar
nosso percurso pelo compressor.
O compressor é uma bomba de
sucção que comprime e empurra o
freon através da tubulação. Após ser
comprimido o freon, estando em alta
pressão e elevada temperatura, passa
pelo condensador e se liquefaz ao
liberar calor para o ambiente. O
condensador é a “grade” que ficar atrás da geladeira que algumas pessoas,
erroneamente, colocam roupas ou sapatos para secar. Você pode até conseguir que suas
roupas e sapatos enxutos, no entanto isso dificulta a transferência de calor do freon com o
ambiente fazendo com que o compressor passe mais tempo funcionando, além de gastar
mais energia elétrica além poder danificar o refrigerador.
Continuando seu percurso, depois que sai do compressor o freon está líquido. Ele
passa por um filtro que retira algumas impurezas e segue para um tubo muito fino
chamado de tubo capilar também conhecido por válvula descompressora. Em seguida o
freon sai do tubo capilar e vai para um tubo de diâmetro bem maior que o capilar, onde se
expande rapidamente, evaporando-se. Nesse estágio ele se encontra no evaporador, que
fica na região do congelador. Para passar ao estado gasoso, o freon absorve energia na
forma de calor do congelador e de tudo o que estiver ali dentro. Ao abandonar o
evaporador, o fluido refrigerante chega ao compressor e o ciclo recomeça.
O ar frio em volta do congelador é mais denso que o ar que está na parte inferior
da geladeira, assim o ar frio desce e o ar mais quente sobe, que vai ser resfriado e
repetindo o ciclo. Assim todos os alimentos que estão dentro da geladeira podem se
refrigerados.
Mas então o que aquele professor de física disse com tom de lei: “não é possível
que o calor seja transferido da fonte fria para a fonte quente”, é falsa? Calma lá há um
pequeno detalhe, isso é verdade para processos naturais, espontâneos, no entanto a
geladeira possibilita que seja transferido energia no sentido inverso do natural, da fonte
fria (interior da geladeira) para a fonte quente (ambiente). Você deve lembra que uma
geladeira desligada não consegue “gelar”, então o trabalho realizado pelo compressor é o
responsável pela geladeira inverter o processo natural e isso requer utilização de energia
elétrica.
A geladeira e o freezer possuem o mesmo funcionamento, a diferença é no
tamanho do evaporador que faz com que no freezer atinja-se uma temperatura da ordem
de -20ºC, por isso seu motor compressor é maior que de uma geladeira.
Agora uma curiosidade é possível usar uma geladeira sem eletricidade? A resposta
é sim. Existem geladeiras que funcionam utilizando o aquecimento de uma substância
refrigerante como o hidróxido de amônia. Nesse tipo de refrigerado o compressor é
substituído por uma fonte de calor responsável pelo aquecimento do hidróxido de amônia,
por exemplo, fazendo essa substancia evaporar e condensar enquanto percorre a
tubulação dessa geladeira. E como a tecnologia sempre avança, já é possível construir
refrigeradores utilizam materiais magnetocalóricos que são sólidos e não precisam de
compressores, mas isso é um tema para um próximo estudo...
O Ciclo de Refrigeração
Objeto de Aprendizagem: Geladeiras ou Refrigeradores
NOA UFPB
Considere dois corpos de temperaturas diferentes, uma alta TQ e uma baixa TF
e vamos analisar sob o ponto de vista da 1a e 2a leis da termodinâmica, uma situação
pouco estranha: a energia térmica é transferida (calor) do corpo de menor temperatura
(de modo a se obter ou manter uma temperatura mais baixa) para o corpo de maior
temperatura (que eleva ou mantém sua temperatura constante). Seria isto possível?
Do ponto de vista da 1a lei da Termodinâmica nada privilegia um sentido para a
transferência de energia, trata-se de um balanço energético, que conduz a um mesmo
resultado em ambos os sentidos que se efetiva o processo. Portanto, tal processo é
provável de acontecer.
Ao se analisar à luz da 2a lei da termodinâmica ressaltamos que a mesma se
baseia numa observação comum: a irreversibilidade dos processos naturais. Destacando
que espontaneamente o calor se transfere de forma única dos corpos de maior
temperatura para os de menor temperatura. Como conseqüência direta imediata desta lei,
para se inverter a tendência natural destes processos é necessário um trabalho externo
extra sobre o sistema. O qual condicione o suprimento de energia necessário para
inverter a ordem do processo espontâneo. Assim, em termos operacionais, através de um
processo planejado, isto também é possível.
Desta forma, podemos imaginar um ciclo termodinâmico (ciclo de refrigeração)
em que o resultado final seria a absorção de calor à temperatura mais baixa, a rejeição de
uma quantidade maior de calor a uma temperatura mais elevada com a realização de uma
quantidade líquida de trabalho externo sobre o sistema. Assim uma geladeira funciona
transferindo calor do interior da geladeira para o meio ambiente. Sabemos que esse
processo não é espontâneo contrariando o curso natural de transferência de calor.
Dentro da geladeira o calor é transmitido de forma natural, dos corpos mais
quentes (alimentos) para o congelador através da circulação de ar dentro da geladeira.
Da mesma forma do lado de fora temos a grade que está a uma temperatura superior ao
ambiente transferindo calor para o mesmo. No entanto a transferência do congelado para
a grade não é espontânea necessitando de um fluido de operação que no nosso caso
vamos exemplificar com o freon.
A temperatura de mudança de estado do freon varia de acordo com a pressão a
qual esta submetido. Para haver essa mudança de pressão é utilizado o compressor e
uma válvula descompressora, que nada mais é que um tubo capilar (tubo que possui um
diâmetro pequeno). Com o estreitamento da tubulação a substância de trabalho aumenta
a velocidade provocando assim uma queda na pressão do fluido no interior da tubulação
do congelador.
Como a geladeira trabalha em ciclos, podemos visualizar o diagrama que representa as
transformações termodinâmicas ocorridas com a substância de trabalho.
Figura 1: Congelador
No congelador o freon que percorre a tubulação troca calor com o ar dentro da geladeira
com pressão e temperatura constante devido a mudança de estado, expandido-se a
medida que ele se vaporiza.
Figura 2: Compressor
No compressor o gás é comprimido de forma adiabática (sem troca de calor) isso significa
que a variação da energia interna da substância é igual ao trabalho realizado pelo
compressor.
Figura 3: Grade ou radiador.
Na grade ou radiador, o calor é transferido para o ambiente inicialmente havendo uma
queda na temperatura (C-D) e em seguida uma diminuição do volume a pressão e
temperatura constante devido a mudança de estado (condensação) (D-E).
Figura 4: Válvula de Expansão ou
descompressora
Como podemos ver na válvula de expansão o volume aumenta enquanto a pressão
diminui. Devido a rapidez do processo podemos considerar essa transformação como
sendo adiabática.
O diagrama completo é mostrado abaixo:
Figura 5: Ciclo de refrigeração
A figura acima mostra o ciclo de refrigeração no diagrama pressão x volume. Esse
diagrama é apenas uma representação idealizada do que realmente acontece na prática.
Para construirmos um diagrama do ciclo ideal são descartados alguns fatores como, por
exemplo, trocas de calor nas tubulações que ligam os dispositivos.