TRANSFERÊNCIA DE CALOR POR RESFRIAMENTO RADIAL EM
SUCOS DILUÍDO E CONCENTRADO
Rosana Araújo Cruz1 (PVIC), Anna Carolina O. Martins1 (PVIC) , Rosilayne M.
Oliveira Trindade1 (PVIC), Thaís Rodrigues de Oliveira¹ (PVIC), Orlene da Silva
Costa2
Universidade Estadual de Goiás -UEG
Unidade Universitária de Ciências Exatas e Tecnológicas, 75001-970, Anápolis
(GO), Brasil.
PALAVRAS CHAVES: transferência de calor, sucos
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INTRODUÇÃO
A goiaba é uma fruta originária da região tropical das Américas, cultivada em
mais de 50 países, constituindo uma das mais importantes matérias-primas para a
indústria de sucos, polpas e néctares, onde o Brasil é o segundo produtor mundial
(EVANGELISTA; VIEITES, 2006).
Transporte de calor (energia) se dá pela diferença de temperatura entre
corpos. Essa energia será transmitida quando dois sistemas com temperaturas
diferentes são colocados em contato. Na condução térmica o calor passa de uma
parte a outra de um mesmo meio, ou entre meios que estão em contato físico com o
outro. O resfriamento de líquidos provoca a formação de correntes convectivas, por
isso a transmissão por condução em líquidos é
acompanhada por convecção (
INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA UFRGS, 2010).
O resfriamento trata-se de uma transferência de calor, pelo decaimento da
temperatura entre um corpo de maior temperatura para com outro de temperatura
inferior, sendo este fenômeno prosseguido até que se atinja o equilíbrio térmico
entre os corpos. Como finalidade, a operação de resfriamento consiste no
abaixamento da temperatura do produto, para retardar as reações químicas e a
atividade enzimática, bem como para retardar ou inibir o crescimento e a atividade
dos microrganismos nos alimentos. A refrigeração é normalmente utilizada como
operação suplementar a alguma outra forma de conservação, a temperatura de
refrigeração é normalmente entre 5 e 10º C, e pode varia em função do produto e
do tempo de prateleira desejado (SOUZA, 2007).
Em 1701, quando tinha quase 60 anos, Newton publicou anonimamente um
artigo intitulado “Scala Graduum Caloris” [Newton 1701], em que descreve um
método para medir temperaturas de até 1000º C, algo impossível aos termômetros
da época. O método estava baseado no que hoje é conhecido como a lei do
resfriamento de Newton, expressa matematicamente por
d
T
d
t
KT T
a
Eq. 01: Lei do resfriamento de Newton
Onde T é a temperatura do corpo, t é o tempo, k é uma constante e T a é a
temperatura ambiente.
A Eq.(01) modela o fato da diminuição da temperatura de um corpo sendo
proporcional à diferença de temperaturas entre o corpo e o ambiente, tão logo se
este objeto estiver a uma temperatura mais alta do que a sua vizinhança perderá
calor para o ambiente e esfriará (SOUZA, 2007).
A lei do resfriamento de Newton afirma que, para pequenas diferenças de
temperaturas, a taxa de resfriamento é aproximadamente proporcional a diferença
de temperatura, caso contrário, quando a diferença de temperatura é muito alta, a
radiação térmica passa a ser importante, deixando esta ter caráter de transferência
de calor por condução, ou convecção forçada quando este, experimento sofre com a
ação do vento, realizado em ambientes abertos, sob eventuais interferências
(SOUZA, 2007).
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OBJETIVO
O presente trabalho teve como objetivo, avaliar a capacidade de resfriamento
térmico de sucos concentrados e diluídos, por meio da transmissão de calor por
condução, em regiões de diferentes temperaturas, sob o uso de uma superfície
cilíndrica contendo o suco, presente em uma cuba com o gelo exposto ao ar livre,
observando-se o resfriamento radial do liquido.
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MATERIAL E MÉTODOS
O sistema de resfriamento foi construído por um recipiente cilíndrico metálico
de 18,7 cm de diâmetro, 1,52 mm de espessura da parede e 5,1 cm de altura,
isolado termicamente nas partes superior e inferior com uma camada de isopor de
2,5 cm de espessura, de forma que o resfriamento ocorresse radialmente. Na parte
superior foram colocados quatro termômetros da parte mais externa até o centro e
com distância de 2,33 cm um do outro.
Para o suco diluído, a densidade média experimentalmente com densímetro
foi 1.10 gmL-1
à temperatura de 25ºC e para o suco concentrado a densidade medida foi 1,35
-1
gmL
na mesma temperatura.
No recipiente cilíndrico foram adicionados 1000 mL do suco diluído. Em
seguida, fez-se o isolamento na parte superior e colocou o recipiente em contato
com uma cuba de gelo a temperatura de 0ºC, a partir deste instante iniciou-se a
contagem de tempo e a observação da variação da temperatura. O mesmo
procedimento foi realizado com o suco concentrado.
Na figura 1 pode-se observar o sistema de resfriamento utilizado para realizar
as medidas.
Figura 1: sistema de resfriamento
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RESULTADOS E DISCURSSÃO
Neste experimento considerou-se apenas o resfriamento por condução, já
que as fontes de convecção e radiação foram consideradas desprezíveis. Os
resultados do resfriamento para o suco
concentrado e diluído podem ser
observados nos gráficos ilustrados nas Figuras 1 e 2, respectivamente.
Figura 1: Perfis de temperatura em função do tempo para o suco concentrado.
Figura 2: Perfis de temperatura em função do tempo para o suco diluído.
Ao avaliar os gráficos percebe-se que no período de 60 minutos a
temperatura do suco diluído começa a cair antes do suco concentrado. No suco
diluído a primeira variação de temperatura no R1 ocorre após 3 minutos de
resfriamento e no suco concentrado a primeira variação de temperatura no R1
ocorre após 5 minutos de resfriamento. No R1 de ambos os sucos, o que se observa
é que a variação de temperatura ocorre em pouco tempo, e isto está diretamente
relacionado com a proximidade que os raios estão da fonte de resfriamento.
Nos termômetros dispostos nos raios mais distantes o que se percebe é que
é necessário um maior tempo de resfriamento para que comece a variar a
temperatura nos raios mais internos. No R4, que é o raio mais interno e
consequentemente o mais distante da fonte de resfriamento, para ambos os sucos o
resfriamento ocorre de forma lenta e branda. Porém para o suco concentrando a
variação da temperatura em todos os raios ocorre de forma mais discreta e
demorada que no suco diluído, e isso está diretamente relacionado com a
quantidade de polpa de goiaba contida em cada suco, sendo que no concentrado
tem maior concentração de polpa de goiaba e o resfriamento é mais lento, pode-se
concluir que a polpa de goiaba leva maior tempo para atingir a mesma temperatura
da água, sendo ainda seu ponto de congelamento -18ºC. Ainda avaliando este fato,
no suco diluído onde se tem maior quantidade de água o resfriamento ocorre de
forma mais rápida, pois neste caso ocorre maior influencia das propriedades da
água. Ao avaliar os resultados percebe-se um comportamento semelhante para
ambos os sucos, o que os diferencia é a concentração de cada suco onde se tem
maior influencia das propriedades da água para o diluído e maior influencia das
propriedades da goiaba para o concentrado. Para ocorrer o resfriamento nos raios
mais internos é necessário ocorrer difusividade térmica nos sucos, já que a parte
interna não está com contato direto com a fonte de resfriamento.
Avaliando as curvas dos gráficos 1 e 2 o que se tem são curvas decrescentes
para todos os raios. Para o R1 de ambos os sucos tem-se curvas lineares, estando
de acordo com a lei de Newton que diz que para resfriamentos brandos a curva é
linear, pois neste caso o liquido está em contato com a fonte de resfriamento. Nos
raios R2, R3, R4 de ambos o sucos o comportamento das curvas de resfriamento
não é linear, isto está diretamente relacionado com o fato do suco contido nestas
posições não está contato direto com a fonte de resfriamento, nestes caso o que
ocorre é uma
difusividade térmica, que é uma propriedade que indica quão
rapidamente o corpo se ajusta por inteira a temperatura do seu entorno. Nesta faixa
de temperatura temos que a difusividade térmica da água corresponde a 1,45x10 -7
m2s-1, que segundo PINTO (et al., 2009) a difusividade térmica da goiaba é de
1,39x10-7 m2s-1.
Sabendo que materiais de baixa difusividade retardam a transferência de
variações externas de temperatura, a partir disso é possível concluir que no suco
concentrado o resfriamento foi mais lento e brando devido ao fato da difusividade
térmica da goiaba ser menor que a da água. Já no suco diluído o resfriamento
ocorreu de forma mais rápida e eficaz, e isto e devido ao fato dele sofrer maior
influência das propriedades da água, como a difusividade térmica, sendo mais
elevada que a da goiaba, o resfriamento no suco diluído ocorre de forma mais
rápida e eficiente, se assemelhando ao comportamento da água.
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CONCLUSÃO
Devido à diferença entre a difusividade térmica da água e da goiaba, o que se
observou foi uma diferença entre o tempo de congelamento entre os sucos diluído e
concentrado, percebeu-se também que para ambos os sucos teve-se maior
dificuldade de resfriar o suco no centro do recipiente.
A partir destas observações e possível concluir que para o resfriamento de
uma polpa concentrada é necessário um maior período de tempo e uma menor
temperatura, já que a goiaba tem uma baixa difusividade térmica dificultando o
equilíbrio do sistema com o meio. Para o suco diluído o que se tem é um
resfriamento mais rápido, devido a maior difusividade térmica da água o que facilita
o equilíbrio do sistema com o meio.
Do ponto de vista industrial torna-se mais caro resfriar um suco concentrado, já
que este deve ser submetidos a temperaturas mais baixas por um maior período de
tempo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
EVANGELISTA, R. M.; VIEITES, R. L. Avaliação da qualidade da pola de goiaba
congelada, na cidade de São Paulo. 6 f. Segurança Alimentar e Nutricional, Campinas,
13(2): 76-81, 2006
.
INSTITUTO
DE
CIÊNCIA
E
TECNOLOGIA
DA
UFRGS.
Operações
Unitárias/Refrigeração.
Disponível em: <http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opconser/refriger.htm > Acessado
em 18/06/2010.
SOUZA, L. F. Um experimento sobre a dilatação térmica e a lei de resfriamento. 2007.
26 f. Monografai de Conclusão de Curso – Licenciatura em Física, Departamento de Física
da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2007.
PINTO, P. M.; et al. Efeito do 1-MCP na qualidade das pós colheita de goiabas 'Pedro
Sato' minimamente processadas. Anais do XII Congresso Brasileiro de Fisiologia Vegetal,
Fortaleza, v. 12, n. 720, 2009. Trabalho apresentado no XII Congresso Brasileiro de
Fisiologia Vegetal “ Desafios para a produção de alimentos e bioenergia”, Fortaleza, Ceará,
2009.