Há evidências de que os seres humanos, desde os primórdios, notaram que o simples resfriamento de alimentos era capaz de conservá-los por um tempo maior. Muito provavelmente, as apropriações de territórios foram responsáveis pela disseminação deste conhecimento às civilizações.
No entanto, somente no século XIX é que Jacob Perkins, um inventor inglês, desenvolveu um compressor capaz de solidificar a água, produzindo gelo artificialmente. E, obviamente, esta descoberta possibilitou que algumas indústrias, como as cervejarias, por exemplo, prosperassem. Além disso, o ramo comercial também foi bastante favorecido, uma vez que tornou-se possível enviar os produtos para vários países distantes.
Já no início do século XX, Willis Carrier, americano, instalou em uma gráfica de Nova York o primeiro aparelho de ar-condicionado, o qual era capaz de controlar a umidade do ambiente e de resfriá-lo.
Os primeiros refrigeradores domésticos (mais conhecidos como geladeiras) surgiram, nos Estados Unidos, no início da década de 1920, tornando-se populares muito rapidamente. Hoje em dia, no Brasil, estima-se que um percentual superior a 80% das residências tenham uma geladeira.
Componentes
Basicamente, uma geladeira é composta dos seguintes elementos:
- Fluido refrigerante: o qual deve possuir baixa pressão de vaporização e alta pressão de condensação, como é o caso do freon - fluido mais utilizado para refrigeração.
- Compressor: funciona como uma bomba de sucção que retira o fluido do ramo da tubulação que o antecede (reduzindo a pressão) e injeta este fluido no ramo da tubulação que o sucede (aumentando a pressão).
- Condensador: trata-se de uma serpentina externa, localizada na parte de trás da geladeira, na qual o vapor se liquefaz, e que é responsável por liberar calor para o ambiente.
- Tubo capilar: é responsável por diminuir a pressão do vapor do fluido.
- Evaporador: é composto por um tubo em forma de serpentina acoplado ao congelador. Para passar ao estado gasoso, o fluido absorve energia na forma de calor do congelador e, ao abandonar o evaporador, chega ao compressor, recomeçando o ciclo.
- Congelador: localiza-se na parte superior do refrigerador para facilitar a formação de correntes de convecção internas, permitindo a mistura do ar à baixa temperatura do congelador e de sua vizinhança com o ar à temperatura mais elevada das outras partes.
A pressão do ar no interior do refrigerador é uniforme e, em virtude disso, o ar do congelador e dos arredores, que está a temperaturas mais baixas, é mais denso que o ar das outras partes. Assim, o fato desta massa de ar ser mais densa faz que ela desça, empurrando o ar das outras partes para cima.
Além disso, não é à toa que as prateleiras das geladeiras são confeccionadas na forma de grade: isso é feito com o intuito de facilitar as correntes de convecção.
No interior do refrigerador há um botão que permite regular a temperatura na qual se deseja que o sistema opere. Um termostato é responsável por interromper o circuito de alimentação do motor que faz funcionar o compressor, quando a temperatura na qual o sistema foi programado para operar é atingida.
Uma vez desligado o circuito, a temperatura do interior do refrigerador passa a aumentar, por efeito da absorção de energia na forma de calor do ambiente. A partir de um certo valor de temperatura, o termostato reconecta o circuito elétrico de alimentação do motor e um novo ciclo de refrigeração se inicia. Desta forma, o termostato permite manter uma temperatura praticamente constante no interior do refrigerador.
Na ótica da termodinâmica, um refrigerador é uma máquina térmica que opera em ciclos. Agora, nos concentraremos nas transformações termodinâmicas que ocorrem durante o funcionamento dos refrigeradores.
Processos termodinâmicos
Em poucas palavras, o funcionamento das populares geladeiras baseia-se em um processo de transferência de calor de uma fonte fria para uma fonte quente. No entanto, este processo não é espontâneo: faz-se necessária uma quantidade de energia externa, que ocorre na forma de trabalho, para que esta transferência seja possível. Só para explicitar, a fonte fria é o congelador e a fonte quente é o condensador (também chamado de radiador).
Analisaremos, a partir de agora, os ciclos termodinâmicos que ocorrem durante o funcionamento de um refrigerador. Para isso, consideremos a figura abaixo.
Este gráfico representa o ciclo envolvido por meio de um diagrama PV, dividido em cinco processos. Obviamente, trata-se da idealização dos ciclos, uma vez que não são previstas, por exemplo, possíveis perdas de energia.
Vamos analisar o que ocorre em cada uma das etapas do ciclo.
* 1 - 2: compressão adiabática
Ao aumentar a pressão do fluido, o compressor faz o volume reduzir. Uma vez que este processo ocorre muito rapidamente, de forma que as perdas de energia são ínfimas, podemos considerá-lo como um processo adiabático. O trabalho que o compressor realiza é responsável pelo aumento da energia interna do fluido e, consequentemente, pela elevação de sua temperatura.
* 2 - 3: resfriamento isobárico
O fluido começa a perder energia sob a forma de calor e, como o compressor mantém alta e constante a pressão deste, o volume e a temperatura diminuem.
* 3 - 4: condensação
Ainda no condensador e sob alta pressão, o fluido perde mais um pouco de energia sob a forma de calor. Por conta disso, o volume e a temperatura do fluido diminuem ainda mais e ele passa do estado gasoso para o líquido. É importante ressaltar que, até aqui, o fluido se encontrava no estado gasoso.
* 4 - 5: expansão adiabática
Sob alta pressão, o fluido atravessa o tubo capilar e, na saída do tubo, ele se expande. Visto que esta expansão ocorre muito depressa, de forma que o fluido troca uma pequena quantidade de energia (sob forma de calor) com a vizinhança, podemos considerar o processo como adiabático. Entretanto, a pressão e a temperatura do fluido diminuem, e parte dele se vaporiza. Assim, na saída do tubo, o fluido se apresenta como gotículas de líquido suspensas em vapor à baixa pressão. Nota: a baixa pressão do tubo capilar é um efeito do funcionamento do compressor, o qual retira fluido no estado gasoso desta parte do circuito para comprimi-lo no condensador.
* 5 - 1: vaporização isobárica
No evaporador, sob pressão baixa e constante, as gotículas restantes são vaporizadas, absorvendo energia (na forma de calor) do congelador. Ao sair do evaporador, o fluido está totalmente no estado gasoso e à pressão baixa, encaminhando-se para o compressor e repetindo o ciclo.
