4ª Aula | roteirotranscal

4ª Aula: Resfriamento evaporativo e refrigeradores-

Experimentos, imagens e vídeos

Objetivos

Analisar o funcionamento de um mini - refrigerador.
Conceituar Equação de Clapeyron e Lei Geral dos Gases Ideais.
Observar aplicações dos refrigeradores.
Realizar experimentos de baixo custo para observar o fenômeno do Resfriamento Evaporativo.
Conceituar Resfriamento Evaporativo através do Calor Latente.
Observar aplicações do Resfriamento Evaporativo.

Metodologia

Pedir aos estudantes para formar grupos com até 5 alunos para realização dos experimentos.
Distribuir Roteiro de experimentos aos alunos.
Comentar instruções básicas de segurança para atividades experimentais: leitura do roteiro, cabelos amarrados e mesas limpas.
Orientar a realização dos experimentos comentando cada etapa do mesmo.
Explicar os conceitos envolvidos após a realização de cada experimento.
Evidenciar as aplicações práticas dos conceitos através das imagens disponíveis no site.
Orientar sobre a importância da tarefa desta aula e também como deve ser sua execução.

Início da aula

As três formas principais de transferência de energia já foram apresentadas: Condução, Convecção e Irradiação. Vimos que, a energia pode ser transferida sempre que existir uma diferença de temperatura, isso que foi observado no experimento com a ureia em que uma reação química diminuiu a temperatura da água ocorrendo a transferência de energia das mãos para a água do tubo de ensaio.
Nesta aula veremos outras duas formas de promover a transferência de energia: o resfriamento evaporativo e os sistemas de refrigeração com fluido refrigerante.
O conceito de calor latente e as mudanças de estado físico dos materiais deve ser retomado antes do Experimento 8.
Antes do experimento 9 uma outra abordagem do conceito de temperatura será apresentada para auxiliar no entendimento do processo de refrigeração.
Ao longo da aula é vital que o professor faça as relações entre os pré-testes e os conceitos desta aula. Caso seja possível deixe os alunos com uma cópia dos pré-testes.

Relembrando o conceito de calor latente

Apesar do calor ser o processo de transferência de energia exclusivamente pela diferença de temperatura, isso não quer dizer obrigatoriamente que o corpo que perde energia diminui sua temperatura e o corpo que recebe aumenta sua temperatura. Em alguns casos, quando ocorre Mudanças de Estado Físico, a temperatura dos corpos que estão recebendo ou perdendo energia permanece constante.
A temperatura se mantém constante, pois a energia está sendo usada para unir ou separar as partículas do material. O GIF apresentado no início da aula 2 ilustra isso.
Podemos dizer que o calor latente é a energia necessária para que 1 g de determinado material modifique seu estado físico.

Figura 55: Equação do calor latente.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 56: Equação do calor latente.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Tipos de vaporização

Figura 57: Pratos e copos no secador de louça.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Evaporação: vaporização lenta, em qualquer temperatura e que ocorre apenas na superfície do líquido. A louça no escorredor de pratos seca por evaporação.

Vídeo 26: Porção de água entrando em ebulição.

Fonte: Elaborado pelo autor

Ebulição: vaporização rápida, ocorre em temperaturas específicas para cada material e envolve todo o líquido.

Vídeo 27: Porção de água entrando em calefação.

Fonte: Elaborado pelo autor

Calefação: vaporização muito rápida que ocorre numa temperatura superior a de ebulição e com pequenas partículas do material.

Sobre o experimento 8

Antes de iniciar o experimento 8 indague os estudantes sobre as funções da transpiração nos animais e também porque sentimos tanto frio quando saímos da piscina em dias com pouco Sol e muito vento.

Oriente os alunos a NÃO inalar acetona. Verifique se há alguém alérgico. Sempre use a acetona comprada nas farmácias para maior segurança.
Relacionar este experimento com as questões 2 e 4 do pré - teste em grupo.

Experimento 8: Resfriamento evaporativo.

Materiais:

Etanol.
Acetona.
Água.

Procedimento:

Passar um líquido de cada vez nas mãos e assoprar.
O experimento pode ser filmado para posterior análise.

Figura 58: Representação de como realizar o experimento 8.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Vídeo 28: Demonstração do experimento 8.

Download do vídeo

Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 59

Fonte: Acervo gratuito Wix.

O suor é exemplo mais comum de resfriamento evaporativo. Sem ele nosso corpo pode atingir temperaturas superiores a 40 °C e isso é fatal para nosso organismo.

Explicação e aplicações

A temperatura média dos líquidos que foram colocados nas mãos é menor que a de nosso corpo. Dessa forma, há uma transferência de energia de nossas mãos para os líquidos.
A acetona é um líquido volátil, pois tem baixo calor latente e é facilmente evaporada. Essa é a razão de seu cheiro ser facilmente detectado mesmo a uma certa distância.
A transferência de energia não muda apenas a temperatura, mas faz com que a temperatura de mudança de estado físico seja alcançada e então o líquido evapora.
Devido a transferência de energia da pele para o líquido, a pele diminui sua temperatura. A este processo chamamos de resfriamento evaporativo.

Equação de Clapeyron

A Equação de Clapeyron é outra forma de interpretar a temperatura de um corpo. Ao estudar os gases três propriedades influenciam seu comportamento: pressão, volume e temperatura. Estes três propriedades se relacionam pela equação de Clapeyron.

Figura 64: Equação de Clapeyron e unidades.

Fonte: Elaborado pelo autor.

A figura abaixo mostra o gráfico de uma isoterma que é uma região de mesma temperatura. Perceba que mesmo alterando os pontos a multiplicação de P.V é constante. Confira o exemplo abaixo para um mol de gás a 27 °C:

Figura 65: Gráfico pressão x volume de um gás ideal.

Figura 66: Dados de pressão e volume.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Transformações gasosas - Lei Geral dos Gases Ideais

Note na equação de Clapeyron que a constante de proporcionalidade entre P.V e T é uma constante, isso quer dizer que P.V/T é uma constante nas transformações gasosas. Os gases que obedecem a essa proporcionalidade são chamados de gases ideais ou perfeitos. Um gás real se aproxima de um gás ideal quanto maior sua pressão e menor sua temperatura.

Figura 67: Representação de transformação gasosa.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Figura 68: Lei Geral dos Gases ideais.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Expansão e Compressão Adiabática de um gás

Transformação Adiabática é uma transformação gasosa que ocorre tão rapidamente que é desconsiderada qualquer transferência de energia entre o gás e o meio externo.
Em uma expansão adiabática o volume aumenta, pressão diminui e a temperatura do gás diminui.
Em uma compressão adiabática o volume diminui, a pressão aumenta e a temperatura do gás aumenta.
Quando o gás expande dizemos que um trabalho foi realizado pelo gás. Quando o gás é comprimido o meio realiza trabalho sobre o gás. A transformação da energia térmica em energia mecânica é chamada de trabalho de um gás

Figura 69: Representação de expansão adiabática.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Vídeo 29: Experimento de expansão adiabática.

Fonte: Canal Física Universitária - UNIVESP.

Figura 70: Representação de compressão adiabática.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Vídeo 30: Experimento de compressão adiabática.

Fonte: Canal Física Universitária - UNIVESP.

Experimento 9: Mini - refrigerador

Figura 71: Representação esquemática de refrigerador.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Materiais e Procedimento

Bebedouro usado levado em Assistência técnica de refrigeração para montar em forma de bancada.
Custo total: R$ 100,00

Figura 72

Fonte: Elaborado pelo autor.

Montagem do mini - refrigerador numa vista lateral. Em destaque os componentes essenciais de um refrigerador.

Vídeo 31: Mini - refrigerador em funcionamento.

Download do vídeo

Fonte: Elaborado pelo autor.

Explicação e aplicações

Os refrigeradores possuem alguns componentes essenciais para seu funcionamento, são eles:
Compressor: É o responsável por movimentar o gás refrigerante e assim promover a transferência de energia do interior da geladeira para o gás refrigerante que por sua vez transfere sua energia para o meio externo. No compressor o gás chega do interior da geladeira com temperatura mais elevada que entrou, porém ainda em uma baixa temperatura. O compressor então faz uma compressão adiabática no gás aumentando a temperatura e este vai para o condensador.
Condensador: Condensador: O gás com alta temperatura ao passar pelo condensador perde energia para o ambiente externo, diminuindo a energia interna e a sua temperatura até que o gás condense se tornando líquido.
Válvula de expansão: O líquido ao passar pela válvula de expansão sofre uma expansão adiabática e diminui ainda mais sua temperatura. No entanto, se mantém no estado líquido, e segue para o evaporador.
Evaporador: No evaporador o fluido refrigerante no estado líquido absorve a energia do interior da geladeira. Dessa forma, a temperatura no interior da geladeira diminui e o líquido que absorveu energia aumenta a temperatura e muda de estado físico evaporando. O ciclo então se reinicia.
Convecção térmica: A Convecção Térmica é a forma de transmissão de energia que predominantemente ocorre no interior dos refrigeradores.
Isolantes térmicos: A carcaça da geladeira e suas borrachas devem estar em bom estado para evitar desperdício de energia elétrica.
O princípio de funcionamento do ar condicionado é semelhante ao do refrigerador, porém no lugar de alimentos, no interior do refrigerador temos pessoas e outros objetos.