i
GILMAR ORLANDINI
BOMBA DE CALOR E A TERMODINÂMICA
Orientadora: Profª Dra. Maria Hermínia
Ferreira Tavares
Cascavel – Paraná – Brasil
Dezembro - 2008
ii
SUMÁRIO
Lista de figuras....................................................................................................iii
Lista de Abreviaturas...........................................................................................iv
1 INTRODUÇÃO................................................................................................5
2 DESENVOLVIMENTO....................................................................................6
2.1 Conceitos Referenciais...........................................................................6
2.2 Máquinas Térmicas..................................................................................6
2.3 Refrigeradores.........................................................................................8
2.4 Motor de Combustão Interna...................................................................9
2.5 Bombas de Calor...................................................................................11
2.6 Definições Básicas para uma Bomba de Calor.....................................14
3 MATERIAL E MÉTODO.................................................................................14
3.1 Listar Componentes Necessários à Confecção da BC..........................15
3.2 Utilizando a BC Pedagogicamente........................................................15
3.4 Exemplo Teórico....................................................................................18
4 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO................................................................19
LISTA DE FIGURAS
iii
Figura 1: Conceito de calor representado na linguagem gráfica........................6
Figura 2: Esquema de funcionamento de uma Máquina Térmica......................7
Figura 3: Esquema de funcionamento de um Refrigerador................................8
Figura 4: Representação gráfica da admissão no ciclo Otto..............................9
Figura 5: Representação gráfica de processo de compressão no ciclo Otto.....9
Figura 6: Representação gráfica do processo de ignição e expansão no ciclo
Otto....................................................................................................................10
Figura 7: Representação gráfica da expulsão dos gases restante da
combustão.........................................................................................................10
Figura 08: Representação gráfica do funcionamento de um motor de
combustão interna.............................................................................................11
Figura 09: Esquema de funcionamento de uma Bomba de Calor....................12
Figura10: Esquema de funcionamento de uma Bomba de Calor (GREF 1998)13
Figura 11: Desenho esquemático da estrutura montada de uma Bomba de
Calor Água x Água.............................................................................................14
Figura 12: Foto da estrutura montada...............................................................15
LISTA DE ABREVIATURAS................................................................................III
INTRODUÇÃO......................................................................................................5
REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO.....................................................................19
Lista de abreviaturas
BC
Bomba de Calor
iv
UNIOESTE
Universidade Estadual do Oeste do Paraná
FINEP
Financiadora de Estudos e Projetos
WJ
Colégio Estadual Wilson Joffre
COP
Coeficiente de desempenho do refrigerador
COD
Coeficiente de desempenho da bomba de calor
Τ
Trabalho
Qf
Calor da fonte fria
°F
Fahrenheit
K
Kelvin
°C
Grau Celsius
cm
Centímetro
g
Grama
h
Hora
H2O
Água
cal
Caloria
kcal
Quilocaloria
kg
Quilograma
kJ
Quilo joule
kWh
Quilowatt hora
L
Litro
m
Metro
min
Minuto
mℓ
Mililitro
mm
Milímetro
O2
Gás oxigênio
PET
Polímero Termoplástico
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INTRODUÇÃO
A sociedade mundial vem buscando formas de economizar energia, ou
no mínimo a utilização de forma racional. Sabendo-se que as Máquinas
Térmicas destacam-se nos sistema de poluição, degradando energia em forma
de calor, é de suma importância que a juventude aprendiz entenda e incorpore
os processos e princípios que permeiam a Termodinâmica.
A sociedade brasileira vem buscando constantemente tornar-se uma
sociedade tecnológica, trocando os processos de produção baseados no
trabalho manual por aqueles que utilizem outras formas de energia e processos
de transformações. Nesta busca estão também em foco as Máquinas
Térmicas, utilizadas na grande maioria nos transportes e nos processos de
refrigeração, com o emprego de motores de combustão interna, principalmente
ciclos Otto e Diesel. Elas ocupam um lugar significativo na refrigeração de
ambientes e na geração de energia elétrica.
Este trabalho tratará de Bombas de Calor, ainda pouco conhecidas no
Brasil, ao contrário de outros países, onde são empregadas em residências e
indústrias. A grande utilidade das BC ocorre devido ao uso eficiente da energia
que recebem, gerando um efeito 2 a 5 vezes superior que à energia gasta para
acioná-las, tendo como base de funcionamento princípios termodinâmicos,
pouco explorados no Ensino Médio. Será dada atenção especial
entendimento da Segunda Lei da Termodinâmica.
ao
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DESENVOLVIMENTO
Conceitos Referenciais
Alguns conceitos que serão considerados neste trabalho:
“Calor é a energia que está sendo transferida de um sistema a outro em
virtude de uma diferença de temperatura. [...] O calor é uma forma de energia,
e é a energia a grandeza que se conserva” (TIPLER, 2006, p.625).
Figura 1 – Conceito de calor representado na linguagem gráfica
Processo natural de calor: Energia térmica flui do corpo ou sistema de
temperatura maior para o corpo ou sistema de temperatura menor e nunca o
contrário. (Segunda Lei da Termodinâmica)
Adiabático: Processo ocorre sem troca de calor com o meio externo.
Máquinas Térmicas
Algumas definições de máquinas térmicas:
Toda máquina que tem como princípio de funcionamento o fluxo de
energia térmica (calor) de um corpo ou sistema para outro corpo ou sistema, e
estes são respectivamente fonte quente e fria denomina-se Máquina Térmica.
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“Qualquer dispositivo capaz de converter calor em energia mecânica é
chamado Máquina Térmica” (SEARS &ZEMANSKY, 2003, p. 409).
“Uma Máquina Térmica é um dispositivo cíclico, com propósito de
converter a maior quantidade possível de calor em trabalho” (TIPLER, 2006, p.
666-667).
Considerando as definições, pode-se elaborar em linguagem gráfica o
esquema de funcionamento de uma máquina Térmica, com base no fluxo de
calor da fonte quente para fonte fria. Em um processo natural a transferência
não ocorre na proporção de um para um, ou seja, uma determinada quantidade
de energia é cedida a fonte fria e outra transformada em trabalho não
ocorrendo uma transformação de cem por cento em uma única grandeza de
energia (Segunda Lei da Termodinâmica).
Figura 2 – Esquema de funcionamento de uma Máquina Térmica.
Enunciados equivalentes da Segunda Lei da Termodinâmica para leitura e
analise comparativa.
É impossível que um sistema remova energia térmica de um único reservatório
e converta essa energia completamente em trabalho sem que haja mudanças
adicionais no sistema ou em suas vizinhanças.
Enunciado de Kelvin
É impossível construir uma máquina térmica, operando em ciclos, que produza
o único efeito de extrair calor de um reservatório e realizar uma quantidade
equivalente de trabalho.
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Enunciado relativo a Máquina Térmica
Nenhuma máquina térmica, que opere entre dois reservatórios térmicos dados,
pode ser mais eficiente do que uma máquina reversível que opere entre os
mesmos dois reservatórios.
Enunciado de Carnot
É impossível produzir um processo cujo único resultado seja a transferência de
energia térmica de um corpo mais frio para um corpo mais quente.
Enunciado de Clausius
Refrigeradores
“Um Refrigerador é basicamente uma máquina térmica operando ao revés 1”
(TIPLER,2006, p. 671)
Figura 3 – Esquema de funcionamento de um Refrigerador
Ao observar o esquema de funcionamento do refrigerador, nota-se que o
fluxo de energia térmica não ocorre como em um processo natural, ou seja, da
fonte quente para fria e sim, da fonte fria para fonte quente. Portanto, pode-se
achar que o refrigerador estaria violando a Segunda Lei da Termodinâmica:
essa interpretação não é verdade, já que o enunciado se refere ao processo
natural e neste caso o processo é artificial.
1
Operando em sentido contrário ao da Máquina Térmica, da fonte fria para fonte quente.
9
Motor de Combustão interna
Não se pode deixar de falar sobre os motores de combustão interna
utilizado em larga escala na sociedade, e, no entanto, não apresentados como
uma máquina térmica para fins de estudo no ensino médio. O esquema (figura
04) representa em linguagem gráfica o funcionamento de um motor que utiliza
energia química armazenada no álcool ou gasolina, tendo como princípios
básicos as leis da termodinâmica, funcionando em ciclos, neste caso o Ciclo
Otto. Estes motores geralmente operam em quatro tempos, sendo:
1˚ tempo: Admissão – momento em que a mistura de ar e vapor de combustível
penetra na câmara de combustão através da válvula de admissão que se
encontra aberta.
Figura 4 – Representação gráfica da admissão no ciclo Otto
2˚ tempo: Compressão - momento
em que a válvula de admissão se
fecha e o pistão sobe diminuindo o
volume e aumentando a pressão,
conseqüentemente ocorre o aumento
da temperatura.
Figura 5 – Representação gráfica de processo de compressão no ciclo Otto.
10
3˚ tempo: Explosão e expansão - uma faísca é emitida pela vela inflamando os
gases em alta pressão e temperatura aprisionado na câmara, que se expande
empurrando o pistão para baixo realizando trabalho. É o único momento que o
pistão realiza trabalho.
Figura 6 – representação gráfica do processo de ignição e expansão no ciclo
Otto.
4˚ tempo: Expulsão - momento em que a válvula de admissão se fecha e de
escape se abre e o retorno do pistão por inércia empurrando o restante dos
gases para fora da câmera.
11
Figura 7 – representação gráfica da expulsão dos gases restante da
combustão.
O motor a diesel não possui velas de ignição: o combustível é inflamado
ao entrar em contato com ar em alta pressão e temperatura na câmara de
combustão.
Na seqüência vê-se em linguagem gráfica todos os tempos do ciclo de
funcionamento do motor de combustão interna.
12
Figura 08 – Representação gráfica do funcionamento de um motor de
combustão interna.
A Segunda Lei diz que num processo natural o calor flui no sentido da
fonte fria e nunca o contrário. Ao mesmo tempo observa-se a transformação de
energia térmica em trabalho de forma parcial, indicando limitações para o
rendimento desses motores, de acordo com a Segunda Lei.
Bombas de Calor
O conceito de “Bomba de Calor” é diferente do refrigerador pelo
objetivo: o refrigerador tem como objetivo resfriar um corpo e a bomba de calor
aquecer. O funcionamento tem como base o processo termodinâmico natural
que ocorre apenas em um sentido, determinado pela Segunda Lei da
Termodinâmica. A bomba de calor é eficiente em forçar o fluxo de calor no
sentido contrário do natural, ou seja, de uma fonte fria para uma fonte quente,
utilizado uma quantidade de energia pequena (WYLEN & SONNTAG, 1999).
Figura 09. Esquema de funcionamento de uma Bomba de Calor.
A Bomba de Calor é uma máquina que objetiva retirar energia térmica de
uma fonte fria e bombear para fonte quente. Exemplo: quando se quer aquecer
uma sala, precisa-se de uma máquina que ceda energia térmica para o
ambiente em questão.
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Partindo desse principio de funcionamento, pode-se imaginar algumas
situações onde se desperdiça energia. Exemplo: o que faz com a energia
térmica retirada do interior da geladeira?
E com a energia retirada de
ambientes condicionados? Pode-se também analisar um abatedouro de
frangos, onde devem ser resfriados grandes ambientes e, ao mesmo tempo,
aquecer-se grandes quantidades de água para higienização.
Aqui será trabalhado o funcionamento de uma Bomba de Calor de
fácil confecção e domínio tecnológico, no caso a BC água / água. No entanto, o
entendimento dos princípios que a regem habilita a entender BCs dos tipos:
água / ar, ar / ar, ar / água e outras. O esquema na seqüência permite a
visualização de alguns princípios de funcionamento.
Válvula de
Expansão
Líquido a
Alta Pressão
Líquido a Baixa
Pressão
Fonte Fria
Fonte Quente
Gás Baixa
Pressão
Gás Alta
Pressão
Figura 10. Esquema de funcionamento de uma Bomba de Calor (GREF
1998).
Observando-se a Figura 10:
- Ambiente 01- Fonte fria: Neste sistema existe gás em expansão e baixa
temperatura, ocorrendo troca de calor latente da água com o gás (água → gás), num
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processo natural de condução. O gás absorve energia do meio vaporizando a baixa
pressão.
- Ambiente 02 – Compressor: O compressor recebe o gás em baixa pressão e
temperatura e através de uma transformação adiabática eleva a pressão e
temperatura.
- Ambiente 03 – Fonte quente: Neste sistema ocorre gás em alta pressão e
temperatura ocorrendo troca de calor de esfriamento e condensação gás e água
(gás→ água) num processo natural de condução.
- Ambiente 04 – Válvula - neste dispositivo ocorre uma descompressão
adiabática. A pressão diminui e o volume aumenta. Formando um ciclo fechado
de funcionamento.
Definições básicas para uma Bomba de Calor.
Com base nas leis da Termodinâmica, tem-se:
Coeficiente de desempenho (COD)
COD = Qq/τ, onde Qq é o calor recebido pela fonte quente e τ é o trabalho
realizado pelo conjunto motor e compressor sobre o gás refrigerante.
Potência (P)
P = Qq/∆t, onde ∆t é o intervalo de tempo que o conjunto levou para bombear
Qq para fonte quente.
Pode-se encontrar o trabalho fazendo
τ
= Qq – Qf, onde Qf é a quantidade de
calor retirado da fonte fria.
Material e Métodos
A bomba água x água apresentada esquematicamente na figura 11 pode ser montada.
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E n tr a d a d e g á s ( fr e o n R 2 2 )
B a ixa te m p e r a tu r a e p r e s s ã o
A lta p r e ss ã o e te m p .
e xp a n sã o
C o m p re sso r
filtro
c a p ila r
Figura 11. Desenho esquemático da estrutura montada de uma Bomba de Calor
Água x Água.
Componentes necessários à confecção da BC
a) Compressor elétrico, normalmente empregado em refrigeradores;
b) Duas bandejas para água;
c) Gás Freon R22;
d) Tubos e soldas de cobre;
e) Um filtro secador para refrigeradores;
f) Capilar de cobre;
g) Dois termômetros digitais.
A Figura 12 mostra a foto da bomba montada.
16
Figura 12 – Foto da estrutura montada.
Utilizando a BC pedagogicamente
Questões para análise de pré-conhecimento.
1) Temos duas blusas uma de lã e outra de moletom. Que blusa esquenta
mais?
Pode-se utilizar uma garrafa PET de 500 ml com água para que os alunos
reflitam sobre as perguntas. Para tal, podem ser feitas as seguintes
indagações:
Se a blusa esquenta, podemos envolvê-la na garrafa com água e esperar
alguns instantes para conjunto aumentar a temperatura e fazermos um bom
café. Vocês concordam?
Outros questionamentos podem ser feitos, na tentativa de mudar o
conhecimento de senso comum.
Buscando confirmar a superação, pode-se fazer a seguinte questão.
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2) Temos duas barras de gelo a 0 ˚C sobre uma mesa, sendo uma enrolada na
blusa de lã e a outra não. Qual das barras derrete primeiro?
Se a resposta for a enrolada pela blusa de lã, o aluno continua no senso
comum e se for a que fica sobre a mesa a indicio de superação do
conhecimento de senso comum..
Sugestão de procedimento.
1) Colocar 600 g de água em cada bandeja.
a) Solicitar que os aprendizes toquem na água da bandeja com o dedo.
b) Ligue a BC 1 min e durante o processo solicite novamente que os
aprendizes toquem na água com o dedo e solicite atenção para os conjuntos
bandeja/água/serpentina.
c) O que puderam: sentir, observar etc? Peça que registrem para futuras
discussões. Dependendo do encaminhamento as questões podem ser
discutidas neste momento.
2) Sugestão de questões.
a) O que esta ocorrendo que água em uma das bandejas a temperatura esta
aumentando e outra diminuindo?
b) Será que tem algo passando de uma bandeja para outra?
c) O que esta sendo transferido?
d) Como esta ocorrendo esta transferência?
e) De que forma podemos fazer uma analise mais significativa do fenômeno?
Partindo das discussões, pode-se aperfeiçoar a analise, com dados
quantitativos. Exemplo.
1) Retire a água das bandejas.
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2) Coloque novamente em cada bandeja 600g de água na mesma temperatura
ambiente.
3) Faça a leitura registrada nos termômetros e anote no quadro de giz.
4) Ligue a BC por 2 min e anote a cada 30s as temperaturas registradas nos
termômetros.
5) Sugere-se a elaboração de tabelas e gráficos para melhorar a análise.
6) Utilize as definições referencias a bomba de calor e produza uma análise
quantitativa e qualitativa do fenômeno em estudo.
Observações
Durante o processo de estudo, deve-se dar ênfase nos aspectos do fenômeno
ditados Segunda Lei da Termodinâmica. Exemplificando:
Espontaneidade: num processo natural o calor só pode seguir um sentido, do
corpo ou sistema de temperatura mais alta para o corpo ou sistema de
temperatura mais baixa e não o contrário.
Impossibilidade do Moto-Perpétuo: impossibilidade de transformar uma
forma de energia totalmente e somente em outra forma de energia. Ou seja, ter
aproveitamento 100% sem troca com outros corpos ou sistemas.
Reversibilidade/ irreversibilidade: dar ênfase à reversibilidade ou não de
uma transformação. Mostrar alguns agentes responsáveis pela irreversibilidade
como: as forças de atrito, transferência de calor com diferença finita de
temperatura, expansão ou compressão rápida de um fluido, expansão livre de
um fluido e mistura espontânea de gases diferentes.
Exemplo teórico:
Uma BC transfere para uma fonte quente 34600J de energia em 1min. Sabese que o conjunto motor-compressor tem potência de 0,25cv.
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a) Que valor tem COD da bomba?
b) Explique porque o valor COD resultou acima de 1.
c) Quanto de energia foi retirado da fonte fria?
Sabemos que:
Qq = 34600J
Δt = 1 min = 60s
P = 0,25.735 = 183,75W
τ = P. Δt
= 183,75.60 = 11025J
a) COD = Qq/τ = 34600/11025 = 3,14
Na análise desta razão, percebe-se que essa bomba para cada joule
transformado em trabalho no conjunto motor-compressor 3,14 Joules são
bombeados para fonte quente, gerando um bom aproveitamento.
b) Para calcular o COD considera-se a energia liberada na fonte quente e esta
foi composta da energia retirada da fonte fria mais o trabalho realizado num
processo considerado adiabático por ocorrer em tempo muito pequeno,
aumentando a energia interna do gás. Compondo então um valor acima do
trabalho realizado.
c) Qf = Qq – τ, logo, Qf = 34600 – 11025 = 23575 J
Foi retirado em forma de calor da fonte fria um total de 23.575 Joule de
energia.
REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
Ciência e Tecnologia no Ensino Médio - Segunda Lei da Termodinâmica.
Disponível em:http://www.biof.ufrj.br/fisbio/bmw128/Biof_Apost_2.pdf.
Acessado em 26 de julho 2008-07-26
20
Diretrizes Curriculares de Física para o Ensino Médio do Estado do
Paraná. Disponível em:
http://www.diaadiaeducacao.pr.gov.br/diaadia/diadia/arquivos/File/livro_e_diretri
zes/diretrizes/diretrizesfisica72008.pdf Acessado em 15 de maio de 2008.
GREF-GRUPO DE REESTRUTURAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA. Física –
Vol. 2. São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, 1998. 368 p.
JORDAN, Rodrigo Aparecido; LUÍS AUGUSTO BARBOSA CORTEZ,
RICARDO BALDASSIN JÚNIOR, LINCOLN DE CAMARGO NEVES FILHO,
JORGE DE LUCAS JR., HONORATO CCALI PACCO. Bomba de Calor ÁguaÁgua Acionada a Biogás Para Aquecimento e Resfriamento em Fazendas
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JANNUZZI, G. M., SWISHER, J.; Planejamento Integrado de recursos
energéticos: meio ambiente, conservação de energia e fontes renováveis.
Campinas: Autores Associados, 1997, 246 p.
Jordan, Rodrigo Aparecido; Desenvolvimento de uma bomba de calor
agua-agua acionada a biogás para utilização em processos de
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Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Engenharia Agrícola. Tese
Doutorado, Data da defesa: 16-09-2005, Código: vtls000376112.
Tipler, Paul A.; MOSCA, G.;
Física:Mecânica, Oscilações e Ondas,
Termodinâmica, v. 1, 5 ed. Rio de Janeiro-Rj: LTC- Livros Técnicos e
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SEARS & ZEMANSKY; Física II – Termodinâmica e Ondas. São Paulo:
ADDISON WESLEY, 2003, 328p.
VAN
WYLEN,
G.
J.,
SONNTAG,
R.
E.;
Fundamentos
da
Termodinâmica Clássica. São Paulo: Editora Edgard Blucher, 1999.
618 p.