O calor ou a energia cinética sempre deseja passar de uma área de alta energia cinética para uma área de baixa energia cinética. O calor da energia cinética está sempre tentando se dissipar. A Segunda Lei da Termodinâmica rege a maneira pela qual a energia concentrada ou o calor tenderão naturalmente a se dissipar ou diluir em um grande volume de átomos ou moléculas.
O bombeamento de calor ocorre quando um objeto quente entra em contato com um objeto frio. O calor fluirá do objeto quente para o objeto frio e nunca reverterá espontaneamente. O calor entre os dois objetos se igualará até que sejam iguais. O calor foi bombeado do objeto quente para o frio.
Veremos os seguintes aspectos das bombas de calor:
- Bombas de calor no mundo natural
- O mecanismo da bomba de calor
- Como as bombas de calor geram resfriamento
- Como as bombas de calor geram aquecimento
- Quais são os refrigerantes mais comuns
Este princípio de bombeamento de calor segue a segunda lei da termodinâmica e tem sido usado para projetar câmaras frigoríficas, refrigeradores, condicionadores de ar e bombas de calor para aquecimento e resfriamento de água e ar. Vejamos como as bombas de calor operam em nível atômico e molecular.
O corpo é uma bomba de calor
A nossa pele é o maior órgão do corpo humano e ajuda-nos a regular a temperatura corporal através da utilização de vários sistemas:
- Sistema de circulação sanguínea
- Suor pela pele
A função do sangue em nosso sistema circulatório é levar o sangue pobre em oxigênio ao coração para ser oxigenado através da função dos pulmões e do coração e enviar o sangue resfriado e rico em oxigênio para as células dos órgãos e extremidades do nosso corpo para fornecer o oxigênio e absorver monóxido de carbono e calor.
O sangue é então circulado de volta aos pulmões através da ação de bombeamento do coração para ser oxigenado e resfriado novamente. Se o nosso coração e pulmões não desempenharem as suas funções de bombear, oxigenar e arrefecer o sangue, o sangue começará a decompor-se e teremos um ataque cardíaco ou morreremos por falta de oxigénio.
Os vasos sanguíneos próximos à pele e à superfície dos pulmões irradiarão seu calor para o ar externo mais frio. Nossa pele ajuda gerando suor que evapora da pele e ajuda a resfriar a pele e o sangue. Se ficarmos desidratados, nossa pele não poderá produzir suor suficiente para ajudar a resfriar a pele e o sangue.
A segunda lei da termodinâmica rege a transmissão de energia térmica de uma área concentrada para uma área dispersa mais fria. O mesmo princípio foi usado para projetar bombas de calor para aparelhos de ar condicionado e outros aparelhos de aquecimento e refrigeração.
Como funciona uma bomba de calor?
Da mesma forma que o sangue é resfriado pela evaporação do suor da pele do corpo e o coração bombeia o sangue resfriado de volta ao corpo para resfriar o cérebro e outros órgãos vitais, uma bomba de calor simula esse princípio no resfriamento do ar ou da água.
Um sistema de bomba de calor consiste em uma bobina de alta pressão e uma bobina de baixa pressão conectadas por meio de uma bomba em uma extremidade e uma válvula de expansão na outra extremidade. O “sangue” em uma bomba de calor é um refrigerante como Freon (Clorofluorocarbono ou CFC). Os CFCs modernos foram desenvolvidos para serem mais eficientes como trocadores de calor e menos prejudiciais ao meio ambiente.
Devido aos danos que o CFC estava causando à camada de ozônio na atmosfera terrestre, foram desenvolvidos refrigerantes que são mais eficazes na absorção e transferência de calor e são menos prejudiciais ao ozônio na estratosfera.
O gás frio absorve o calor (energia cinética vibracional) do ar circundante na metade de baixa pressão do calor.
O gás aquecido é bombeado para o circuito do condensador de alta pressão, onde o calor é dissipado para o ar com a ajuda de um ventilador. A energia usada pelo compressor e pelo ventilador para forçar o gás de volta ao líquido é a energia de entrada.
O gás comprimido dissipa o calor e condensa em um líquido sob pressão. O refrigerante líquido pressurizado passa através de uma válvula de expansão. A liberação de pressão permite que o líquido se expanda para um gás frio que passa pela serpentina do evaporador. O calor que envolve a serpentina do evaporador é absorvido pelo gás frio e bombeado de volta ao compressor para repetir o ciclo.
A energia absorvida pelo gás é a energia de saída do sistema. A eficiência de uma bomba de calor é calculada dividindo a energia de saída (quantidade de aquecimento ou resfriamento) pela energia de entrada (para compressor e motor de ventilador), o que produz o coeficiente de desempenho.
Se a quantidade de resfriamento ou aquecimento gerado for equivalente a 2 kW de trabalho e a quantidade de trabalho necessária para operar o compressor e o ventilador de resfriamento for 1 kW, então a bomba de calor tem um COP igual a 2. As bombas de calor são consideradas eficientes se eles têm um COP entre 2,5 e 3,5. O COP máximo teórico é 4,5.
Como funciona uma bomba de calor em uma geladeira?
A bomba de calor consiste em uma metade evaporadora de baixa pressão, onde o gás frio absorve calor antes de ser bombeado pelo compressor de volta para a metade de alta pressão do sistema, onde o gás quente é condensado de volta em um líquido e o calor é dissipado. pelos tubos do condensador de cobre ou alumínio e pelo ventilador.
Para criar resfriamento, o tubo do evaporador fica dentro do refrigerador para absorver o calor e bombear o calor do refrigerador para a serpentina do condensador na parte externa do refrigerador. A serpentina do condensador é muito maior em área de superfície do que a serpentina do evaporador. O calor da serpentina do condensador é dissipado para o ar ao redor da serpentina.
Se a serpentina do condensador ficar obstruída com poeira ou não tiver um bom fluxo de ar ao seu redor, a capacidade do sistema de criar resfriamento será prejudicada. O compressor funcionará com mais frequência para aumentar a capacidade de resfriamento do sistema. O calor é bombeado de dentro da geladeira para fora.
A ausência de alta energia cinética no interior da geladeira resulta em frio. O ar frio é mais pesado que o ar quente, pois contém mais umidade. Quando a porta da geladeira é aberta, você pode sentir o ar frio saindo da geladeira.
Por esse motivo, as geladeiras e freezers horizontais são mais eficientes para manter o frio.
Como funciona uma bomba de calor para aquecer e resfriar a casa?
Os sistemas de bomba de calor foram projetados para aquecer residências durante os meses de inverno ou resfriar residências durante os meses de verão. Durante os meses frios do inverno, o sistema é programado para bombear o calor do ar externo para o interior da casa.
Parece contra-intuitivo que você possa extrair calor do ar frio do inverno e usá-lo para aquecer o interior da casa. A bobina externa atua como o evaporador, extraindo energia cinética do ar externo por meio da condutividade térmica com o cobre ou alumínio metálico da bobina.
O calor é absorvido pelo gás frio, aumentando seu volume e a energia cinética das ligações dentro das moléculas do refrigerante. A bomba do compressor puxará o gás aquecido para o circuito do condensador de alta pressão dentro da casa. À medida que o compressor força o gás de volta ao líquido, o calor do gás será transferido para a bobina metálica do condensador.
Um ventilador moverá o ar frio sobre as serpentinas aquecidas e transferirá o ar aquecido para dentro da casa por meio de dutos. O líquido esfriará dentro do condensador e fluirá de volta para a válvula de expansão que leva à unidade evaporadora fora da casa, onde se repete o ciclo de expansão de absorção de energia do gás refrigerante do aquecedor.
Durante o inverno, um problema comum é o ar frio e úmido condensar e congelar na unidade evaporadora externa. O acúmulo de geada e gelo torna o evaporador ineficiente, pois o gelo atua como um isolante que impede a extração de calor para o gás no extrator.
O sistema está programado para funcionar ao contrário para criar um ciclo de degelo para superar esse problema. Durante o ciclo de degelo, o calor de dentro da casa é extraído e bombeado para o evaporador para derreter o gelo. O sistema só precisa executar este ciclo de degelo ocasionalmente para mantê-lo funcionando de maneira ideal.
Nos meses de verão, o sistema mudará para resfriar o interior da casa, extraindo o calor de dentro da casa e expelindo-o através do evaporador externo. Em essência, o ciclo de degelo do inverno torna-se o ciclo de resfriamento padrão do verão.
Ao alterar as configurações de temperatura no termostato, o sistema funcionará em um ciclo de resfriamento ou aquecimento.
Quais são os refrigerantes mais comumente usados?
Freon é o refrigerante mais comumente usado em aplicações de bombas de calor domésticas. O Freon ferve a menos vinte e dois Fahrenheit (menos trinta graus Celsius). Contanto que a temperatura externa seja superior ao ponto de ebulição do Freon, o sistema será capaz de extrair calor.
Aqui está uma lista de refrigerantes e seus pontos de ebulição correspondentes em graus Fahrenheit:
- Amônia -28
- R-404A -51,7
- R-410A -61,8
- Oxigênio -297
- Nitrogênio – 320
- CO2 – 109
- Hidrogênio – 423
- Hélio – 452
O zero absoluto é a temperatura teórica mais baixa. Corresponde a −273,15 °C na escala de temperatura Celsius e −459,67 °F na escala de temperatura Fahrenheit. Em teoria, qualquer um destes compostos refrigerantes pode ser utilizado em bombas de calor.
Muitos RVs ainda estão equipados com sistemas simples cheios de amônia. Essas geladeiras nem precisam de compressor e podem funcionar com chama de vela.
A amônia condensará em temperaturas ambientes normais e será realimentada no evaporador pelo efeito da gravidade da amônia líquida.
Qual é a ciência do congelamento criogênico?
Por definição, frio é a ausência de calor. O calor é medido pela temperatura, o que nos dá o grau de energia cinética restante em um corpo. Para que um corpo humano seja congelado criogenicamente, ele deve ser congelado instantaneamente a menos de vinte graus Fahrenheit negativos.
O nitrogênio líquido está a menos trezentos e vinte graus Fahrenheit e é mais comumente usado para congelar criogenicamente matéria orgânica para preservação. Muitas propriedades físicas dos materiais mudam à medida que se aproximam da temperatura zero absoluta.
A supercondução de eletricidade foi desenvolvida em temperaturas criogênicas. À medida que as vibrações das ligações moleculares diminuem, a capacidade das partículas carregadas de se moverem através da rede do material sólido melhora até o ponto em que a supercondutividade é alcançada.
Bombeamento de calor em nível molecular com efeito global
Considere os átomos de nitrogênio no nitrogênio líquido. O nitrogênio líquido deve estar a uma temperatura abaixo de trezentos e vinte graus Fahrenheit negativos para permanecer líquido. Os átomos de nitrogênio na superfície do líquido absorverão o calor do ar ambiente, fazendo com que a camada superior do nitrogênio líquido ferva.
O gás super-resfriado que consiste em nitrogênio e vapor de água parecerá ferver na borda da garrafa térmica contendo o nitrogênio líquido. O calor é bombeado para fora da atmosfera quente e para o nitrogênio frio. Este é o mesmo princípio usado em sistemas de bombas de calor em circuito fechado.
Um líquido é fervido pela energia das moléculas de ar circundantes. O líquido frio faz com que os átomos de cobre na bobina do evaporador vibrem menos. Os átomos lentos da bobina de cobre são bombardeados pelas vibrações de alta energia das moléculas de ar. A energia vibracional das moléculas de ar é transferida para os átomos de cobre e daí para o nitrogênio líquido.
O nitrogênio líquido absorve a energia até que aqueça o suficiente para ferver e passar de líquido a gás. A energia vibracional das moléculas de ar foi bombeada para o gás nitrogênio, deixando a temperatura do ar mais baixa do que antes. A redução da energia vibracional nas moléculas de ar fez com que elas esfriem.
Os sistemas de bombas de calor rodeiam-nos. Alguns existem em nível atômico e nos ajudam a manter a cerveja gelada. Outras bombas de calor são orgânicas como a nossa pele e ajudam-nos a arrefecer o corpo e a regular a circulação sanguínea.
Os vastos oceanos absorvem o calor do sol e produzem enormes quantidades de água doce para alimentar os nossos rios e topos de montanhas. A floresta tropical absorve enormes quantidades de dióxido de carbono e o converte em água, oxigênio e nutrientes necessários para o crescimento das plantas.
Todos esses processos naturais utilizam a conversão de energia de uma forma para outra. Adaptámos estes modelos da Mãe Natureza para trabalharem para nós e tornarem as nossas vidas na Terra mais fáceis.