GILMAR ORLANDINI

BOMBA DE CALOR E A TERMODINÂMICA

Orientadora: Profª Dra. Maria Hermínia Ferreira Tavares

Cascavel – Paraná – BrasilDezembro - 2008

i

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

ii

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

iii

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

iv

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 ao

entendimento da Segunda Lei da Termodinâmica.

5

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.

6

“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.

7

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 revés1”

(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.

8

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.

9

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.

10

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.

11

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.

12

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.

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

Fonte Fria

Gás BaixaPressão

Gás AltaPressão

Fonte Quente

Líquido aAlta Pressão

Válvula deExpansão

Líquido a BaixaPressão

13

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.

14

B a ixa te m p e ra tu ra e p re ssã o

A lta p re ssã o e te m p .

E n tra d a d e g á s ( fre o n R 2 2 )

C o m p re sso r

filtro cap ilar

e xp a n sã o

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.

15

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.

16

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.

17

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. Sabe-

se que o conjunto motor-compressor tem potência de 0,25cv.

18

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 BIBLIOGRÁFICOCiência 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

19

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_diretrizes/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 Água-Água Acionada a Biogás Para Aquecimento e Resfriamento em Fazendas Leiteiras Visando a Racionalização no Uso da Energia Elétrica. Disponível em:www.seeds.usp.br/pir/arquivos/congressos/AGRENER2004/Fscommand/PDF/Agrener/Trabalho%2020.pdf Acessado em 18 julho de 2008

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 aquecimento e resfriamento em sistemas de produção de leite, 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 Científicos Editora S.A, 2006.

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.

20