Ensinando Física Térmica com um refrigerador

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Text of Ensinando Física Térmica com um refrigerador

  • v.24 n.1 2013

    Programa de Ps-Graduao em Ensino de FsicaUFRGS

    ENSINANDO FSICA TRMICACOM UM REFRIGERADOR

    Rodrigo PogliaMaria Helena Steffani

  • Textos de Apoio ao Professor de Fsica, v.24 n.1, 2013. Instituto de Fsica UFRGS

    Programa de Ps Graduao em Ensino de Fsica Mestrado Profissional em Ensino de Fsica

    Editores: Marco Antonio Moreira Eliane Angela Veit

    Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP) Setor de Processamento Tcnico

    Biblioteca Professora Ruth de Souza Schneider Instituto de Fsica/UFRGS

    Impresso: Waldomiro da Silva Olivo Intercalao: Joo Batista C. da Silva

    P729e Ploglia, Rodrigo

    Ensinando fsica trmica com um refrigerador / Rodrigo Ploglio, Maria Helena Steffani Porto Alegre: UFRGS, Instituto de Fsica, 2013.

    55 p.; il. (Textos de apoio ao professor de fsica / Marco Antonio Moreira, Eliane Angela Veit, ISSN 1807-2763; v. 24 , n. 1)

    1. Ensino de Fsica 2. Termodinmica 3. Refrigerao I.

    Steffani, Maria Helena II.Ttulo III. Srie.

    PACS: 01.40.E

  • ENSINANDO FSICA TRMICA COM UM REFRIGERADOR

  • Apresentao

    O presente texto de apoio ao Professor de Fsica fruto do trabalho de concluso do

    Mestrado Profissional em Ensino de Fsica, e tem por finalidade apresentar um material didtico

    alternativo, baseado no refrigerador domstico, para um ensino de Fsica Trmica a alunos do Curso

    Tcnico Integrado ao Ensino Mdio, em uma proposta curricular integradora entre o conhecimento

    fsico formalizado e sua contextualizao no mbito tecnolgico.

    O material didtico produzido busca desenvolver nos alunos competncias e habilidades de

    reconhecimento, organizao, interpretao, aplicabilidade e a evoluo do conhecimento,

    pressupondo o abandono das prticas discursivas de transferncia de conhecimentos acabados, e a

    reelaboraro e criao de processos que instigam a pensar, pesquisar, modelar e planejar aes

    transformadoras no meio profissional e social.

    A proposta aqui apresentada foi desenvolvida com duas turmas de alunos do primeiro ano

    do Ensino Mdio do curso Tcnico Integrado em Refrigerao e Climatizao do Instituto Federal Sul-

    rio-grandense, Campus de Venncio Aires, RS, durante o segundo semestre de 2011.

    importante salientar que no se trata de maneira alguma, de uma abordagem restrita e

    simplria da Fsica, com abordagem apenas do funcionamento do equipamento, mas muito pelo

    contrrio, trata de um ensino contextualizado e significativo, construdo observando os conhecimentos

    prvios dos alunos, e consolidado no pela imposio, mas sim pelo confrontamento de idias,

    constataes e pesquisas.

    Destaco ainda que, mesmo o texto tendo sido produzido visando alunos do curso tcnico

    integrado em refrigerao e climatizao, acreditamos que com algumas adaptaes este possa ser

    utilizado para o ensino de Fsica Trmica a alunos do Ensino Mdio normal.

  • SUMRIO

    1. Tpicos da histria da refrigerao ......................................................................................... 07 2. Isolamento trmico e controle de temperatura ........................................................................ 11 3. Compressor........................................................................................................................... 17 4. Condensador ......................................................................................................................... 23 5. Filtro Secador ........................................................................................................................ 27 6. Tubo capilar........................................................................................................................... 29 7. Evaporador ............................................................................................................................ 33 8. Fluido refrigerante .................................................................................................................. 37 9. Eficincia energtica dos refrigeradores ................................................................................. 41

    9.1 Atividade experimental para determinao da eficincia energtica de um refrigerador . 43

    10. Bibliografia... .............................................................................. ..47 Apndices Apndice A - Montagem da bancada didtica de refrigerao ..................................................49 Apndice B - Montagem do compressor hermtico aberto .......................................................51

  • 1. Tpicos da histria da refrigerao.

    A geladeira inventada na metade do sculo XIX mudou os hbitos alimentares do mundo e

    agora pea fundamental em qualquer ambiente domstico.

    No incio do sculo XIX a possibilidade de usufruir de gelo para conservar alimentos, resfriar

    bebidas ou o conforto trmico de ambientes era algo bastante raro, pois no eram dominadas as

    tcnicas de sua fabricao e conservao. Tudo isso comea a mudar com John Gorrie, devotado

    mdico americano que passou boa parte da vida interessado em melhorar as condies de seus

    pacientes, na maioria marinheiros sofrendo de febre amarela, que eram tratados em seu hospital.

    Gorrie, nascido em Charleston, Carolina do Sul, em 1803, tinha se mudado aos 30 anos para a

    cidade porturia de Apalachicola, Flrida, conhecida por seu clima extremamente quente e mido. A

    partir de 1838, ele teve a idia de pendurar sacos de gelo nas salas do hospital, para tornar mais

    ameno o ar que seus pacientes respiravam (REVISTA SUPER INTERESSANTE, n.15, 1988).

    Conseguir gelo em quantidade suficiente e durante todo o ano era uma tarefa difcil de ser

    cumprida pela dificuldade de armazenamento. Alguns comerciantes da poca tentavam conservar em

    silos isolados com serragem, o gelo de lagos e rios congelados durante o inverno, para poder vend-

    lo durante o vero nas cidades mais quentes. Mas alm da distribuio ser irregular, as quantidades

    disponveis eram insuficientes diante das necessidades de consumo. Outro ponto desfavorvel deste

    comrcio era o preo exageradamente alto pago pelo gelo, que custava prximo de trs dlares ao

    quilograma. Diante desta situao, em 1850 Gorrie resolve utilizar seus conhecimentos fsicos para

    construir uma mquina a vapor que seria capaz de produzir o frio artificial e, por consequncia, gelo.

    A mquina de Gorrie consistia em um pisto que se movimentava dentro de um cilindro. O

    pisto comprimia e expandia alternadamente vapor de gua, que por sua vez roubava calor do meio

    externo, onde estava um recipiente contendo a mistura de gua e sal, passando do estado lquido ao

    gasoso. Quando a gua salgada parava de ceder calor ao vapor, ambos se resfriavam, e este ento

    era liberado no ambiente. Neste ponto, a gua salgada era utilizada para solidificar uma nova

    quantidade de gua doce, produzindo gelo. Assim, de uma s vez Gorrie tinha inventado o

    condicionador de ar e a geladeira.

    Sua engenhoca gerou o primeiro aparelho de refrigerao comercialmente vivel do mundo.

    A apresentao de seu invento ao pblico ocorreu no dia 14 de julho de 1850, dia em que os

    franceses comemoram a queda da Bastilha. Todos os anos neste dia, o Cnsul da Frana dava uma

    grande festa em Apalachicola, sempre regado com muito Champanhe francs. Mas, ao contrrio dos

    anos anteriores, nem um navio trazendo gelo para a festa chegou cidade, e o cnsul estava um

    tanto frustrado em ter que servir a bebida morna. Foi ento que Gorrie e mais quatro empregados

    entraram no salo levando bandejas de prata com tijolos de gelo para brindarem juntamente com os

    convidados.

    A mquina de Gorrie, da qual obteve a patente, forneceu o mecanismo de funcionamento

    que at hoje utilizamos em nossos refrigeradores, com a diferena essencial de que, com o advento

    da eletricidade, o sistema deixou de ser movido por uma mquina a vapor, substituda pelo motor

    eltrico. Mas, o impressionante invento e a magnfica apresentao no foram suficientes para que os

    bancos da poca financiassem a Gorrie, a construo de uma fbrica, para produzir uma mquina

  • TEXTO DE APOIO AO PROFESSOR DE FSICA IF UFRGS POGLIA, R. & STEFFANI, M. H., v. 24, n.1, 2013

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    capaz de fabricar uma tonelada de gelo ao custo de dois dlares em qualquer parte do mundo, como

    afirmava Gorrie, que morreu em 1855, pobre e desacreditado, pouco antes de ver seu sistema se

    espalhar pelo mundo.

    As primeiras utilizaes da mquina de Gorrie foram em 1880 em navios mercantes da

    Inglaterra que, nesta poca, estava mergulhada numa grave crise de abastecimento, tendo que

    substituir por carne o carregamento normal de sebo e l de carneiro provenientes da Austrlia. Mas,

    atravessar quase meio mundo com uma carga perecvel como essa era ainda algo inimaginvel. Em

    1879, Thomas Mort e James Harrison, que haviam se instalado na Austrlia para encontrar uma

    soluo para o problema, enviam o navio S.S. Norfolk, com 20 toneladas de carne resfriada com uma

    mistura de gua e sal. A carga, porm, no suportou a longa trajetria e chega deteriorada

    Inglaterra. Somente um ano depois, quando o sistema de Gorrie foi utilizado a bordo do S.S.

    Strathleven, este pde aportar em Londres com a carga em boas condies.

    No final do sculo XIX, o "gelo artificial", como era conhecido, se tornou comum por toda a

    Europa, e passou a ser utilizado nas mais diversas atividades da indstria. Na Alemanha, o cervejeir