Curiosidades tecnológicas #2

Hoje vamos falar sobre:

Geladeiras

A idéia básica por trás de uma geladeira é muito simples: ela usa a evaporação de um líquido para absorver calor. Você sabe que quando coloca água em sua pele, normalmente você sente um frescor. Quando a água evapora, ela absorve calor, criando esta sensação de frio. Esfregar álcool sempre dá uma sensação de ainda mais frio pois este evapora em menores temperaturas. O líquido usado em uma geladeira evapora a uma temperatura mais baixas, e assim ele pode criar temperaturas geladas dentro do refrigerador. Se você colocar o fluido refrigerante (líquido da geladeira) em sua pele ele irá congelá-la enquanto evapora. 

Existem cinco partes básicas em qualquer geladeira (ou sistema de ar condicionado):

•compressor 
•tubos para a troca de calor: serpentina ou conjunto de tubos fixado na parte de fora da unidade 
•válvula de expansão 
•tubos para a troca de calor: serpentina ou conjunto de tubos fixado na parte de dentro da unidade 
•fluido refrigerante: líquido que evapora dentro da unidade para criar temperaturas baixas
Muitas instalações industriais usam amônia pura como refrigerante. Amônia pura evapora a -32º C (27º F).

O mecanismo básico de uma geladeira funciona assim: 
1.O compressor comprime o gás refrigerante. Isto eleva a pressão e temperatura do fluido refrigerante (laranja), de modo que as serpentinas externas de troca de calor da geladeira permitem que o fluido refrigerante dissipe o calor devido à pressurização; 

2.À medida que esfria, o fluido refrigerante se condensa em forma líquida (roxo) e flui pela válvula de expansão; 

3.Quando passa pela válvula de expansão, o líquido refrigerante se move da zona de alta pressão para a zona de baixa pressão, e se expande e evapora (azul claro); 4.As serpentinas dentro da geladeira permitem que o fluido refrigerante absorva calor, fazendo com que a parte interna da geladeira fique fria. Então, o ciclo se repete. 


Em uma visão geral, primeiramente devemos perceber que a geladeira retira o calor de seu interior (congelador) através de uma serpentina de resfriamento e libera o calor para o seu lado de fora (serpentina quente).
O sistema é composto por um compressor, uma válvula de expansão, um evaporador e um condensador. O processo apenas é possível devido à tecnologia do fluido refrigerante (ex. freon R12, R22, R134A, etc), que tem a característica de roubar o calor quando condensado e liberar o calor quando evaporado.
O passo a passo do circuito de refrigeração é o seguinte:
a) o gás refrigerante passa por um compressor onde o mesmo sofre aumento de sua pressão, passando a um estado propício a condensar-se;
b) este condensado passa pela serpentina do condensador (serpentina quente na parte de trás da geladeira), onde libera calor para o ambiente, resfriando-se e passando para o estado líquido (condensado);
c) o condensado passa por uma válvula de expansão, que tem a função inversa do compressor: ela reduz a pressão do condensado, passando este a um estado propício a se evaporar;
d) o gás refrigerante é conduzido então para a serpentina evaporadora dentro da geladeira (mais especificamente dentro do congelador), onde rouba calor, aquece-se e passa para o estado gasoso;
e) o gás passa então pelo compressor, repetindo todo o ciclo.

Imaginando uma geladeira nova e posta para funcionar aberta (temperatura dentro e fora da geladeira iguais), o interessante é que o fluido refrigerante (condensado) ao sofrer uma descompressão e passar pela serpentina dentro da geladeira, tende a roubar calor (e evapora). Esse mesmo gás ao ser comprimido e ao passar pela serpentina de fora, tende a ceder calor e se condensa.

Esse é praticamente um padrão - e um tanto insatisfatório - de explicação de como funciona uma geladeira. Então, vejamos vários exemplos para entendermos o que realmente acontece.

Entendendo a refrigeração
Para entender o que acontece dentro de uma geladeira, é preciso saber um pouco mais sobre fluidos refrigerantes. Aqui estão dois experimentos que ajudarão a entender o que acontece.

Estes experimentos podem ajudá-lo a entender as propriedades dos fluidos refrigerantes e suas funções na refrigeração.

Experimento 1
Você necessitará de:

• um pote de água
• um termômetro que possa medir até pelo menos 121 graus centígrados
• um fogão

Coloque o pote de água no fogão, coloque o termômetro dentro dele e ligue o fogo. Você verá (se estiver ao nível do mar) que a temperatura da água aumenta até chegar a 100ºC. Neste ponto, ela começará a ferver, porém continuará a 100ºC - este é o ponto de ebulição da água ao nível do mar. Se você vive nas montanhas, onde a pressão atmosférica é mais baixa do que ao nível do mar, o ponto de ebulição será mais baixo - provavelmente entre 87 e 93ºC. É por essa razão que muitos alimentos têm "instruções de cozimento em altitudes elevadas" impressos em suas embalagens. Você tem de cozinhar os alimentos por mais tempo a maiores altitudes.

Experimento 2
Você necessitará de:

• uma tigela de vidro refratário
• um termômetro que meça até pelo menos 232ºC
• um forno

Coloque o termômetro em seu recipiente de água, coloque o recipiente dentro do forno e ligue-o a 204ºC.

À medida que o forno esquenta, a temperatura da água irá subir até 100ºC, e então começará a ferver. A temperatura da água irá ficar em 100ºC mesmo que esteja completamente cercada por um ambiente que está a 204ºC. Se você deixar a água fervendo (e seu termômetro conseguir agüentar), quando a água terminar, a temperatura do termômetro chegará a 204ºC.

O segundo experimento é extremamente interessante se você pensar da seguinte forma: imagine uma criatura que viva muito feliz em um forno a 204ºC. Essa criatura acha que 204ºC é ótimo - a temperatura perfeita (assim como os humanos acham que 21ºC é ótimo). Se a criatura está em um forno a 204ºC, e se há um copo de água fervendo a 100ºC, o que esta criatura irá sentir a respeito da água? Ela irá sentir que esta água é realmente fria. Afinal, a água fervente é 104ºC mais fria do que os 204ºC que esta criatura acha confortável. Esta é a grande diferença.

Isto é exatamente o que acontece quando os humanos lidam com nitrogênio líquido. Nós sentimos que 21ºC é confortável. O nitrogênio líquido ferve a -195ºC. Então se você tem um pote de nitrogênio líquido em cima da mesa da sua cozinha, sua temperatura será de -195ºC, e irá evaporar - para você, é claro, será incrivelmente frio.

Isqueiros de butano Se você for a uma loja local e comprar um isqueiro a gás butano com um reservatório transparente (assim você pode ver o fluido lá dentro), o que você vê é gás butano guardado dentro de um recipiente de alta pressão. O butano ferve a -0,62ºC à pressão atmosférica normal (14,7PSI). Mantendo o gás butano pressurizado dentro de um recipiente, o líquido fica à temperatura ambiente. Se você pega um copo de butano e coloca no balcão da sua cozinha, ele irá ferver, e a temperatura do líquido fervente será de -0,62ºC. A propósito, o ponto de ebulição do butano também explica porque os isqueiros de butano não funcionam bem em dias frios. Se estiver a cerca -12ºC do lado de fora, o butano estará abaixo do ponto de ebulição, de modo que não poderá evaporar. Manter o isqueiro quente dentro de seu bolso é o que permite que ele funcione no inverno.

Geladeiras modernas usam um ciclo de regeneração para reutilizar o mesmo fluido refrigerante repetidamente. Você pode ter uma idéia de como isto funciona imaginando novamente nossa criatura e seu copo de água. Ele pode criar um ciclo de renovação seguindo os seguintes passos:

1. A temperatura do ar dentro do forno é de 204ºC. A água que evapora dentro do copo, permanece em 100ºC, produzindo muito vapor de 204ºC. Digamos que a criatura recolhe o vapor em uma grande sacola.
2. Assim que toda a água evapora, ele pressuriza a água dentro de um recipiente de aço. No processo de pressurização, a temperatura fica em torno de 426ºC e permanece como vapor. De modo que agora o recipiente de aço é "quente" para a criatura, pois contém vapor a 426ºC.
3. O recipiente de aço dissipa o excesso de calor para o ar do forno, e este finalmente volta a 204ºC. Neste processo, a alta pressão do vapor no recipiente se condensa em água pressurizada (exatamente como o butano no isqueiro - veja ao lado).
4. Neste ponto, a criatura libera a água do recipiente de aço pressurizado para um pote, e ela imediatamente começa a evaporar, sua temperatura cai para 100ºC.

Repetindo estas quatro etapas, a criatura agora tem uma forma de reutilizar a mesma água repetidamente para gerar refrigeração.

Via(s): How stuff Works (Uol) e Yahoo Respostas