Capacidade Calorífica e Calor específico

 Capacidade Calorífica e Calor específico

Movimento requer energia: Quanto mais energia a matéria tem, maior será a temperatura também. 

E esta energia é fornecida pelo calor. 

Perda ou ganho de calor é equivalente a perda ou ganho de energia.

Com a observação acima entendida, agora se faz a seguinte pergunta: quanto será o aumento ou diminuição de temperatura de uma substância com o ganho ou perda de energia térmica? 

A resposta é dada pelo calor específico (C) da mesma. 

O calor específico é definido da seguinte forma: 

Pegue uma unidade de massa de uma substância qualquer, adicione x em quantidade de calor e observe cuidadosamente o aumento da temperatura, então C é dado por:

Nesta definição, a massa é geralmente tanto em gramas ou quilogramas e a temperatura em kelvin ou graus Celsius. Note-se que o calor específico é referente a uma unidade de massa. 

Assim, o calor específico de um galão de leite é igual ao calor específico de um litro de leite.

Quanto menor a variação de temperatura em um corpo causada pela transferência de uma dada quantidade de calor, maior seria a sua capacidade calorifica. 

As descrições mais comuns são calor específico à volume constante Cp e à pressão constante Cv.

Veja alguns exemplos:

Em outras palavras, podemos dizer que o calor específico de uma substância é a energia necessária para elevar em 1K (ou 1°C) a temperatura de uma massa unitária (1 g, por exemplo) dessa substância.

Olhando a tabela podemos entender que: se tenho 1g de água e 1g de ferro, para aumentar em 1°C cada uma dessas massas vou precisar fornecer mais energia para a água do que para o ferro.

Exemplo: Quanta energia é necessária para elevar a temperatura de 50 g de cobre em 10 °C?

Resolução:

   Calor necessário (U) = massa (m) x calor especifico (C) x  Variação de temperatura (ΔT)

U = 50g x 0,094cal/g°C   x (10 °C)

U = 47 cal ou 196.6 joules

(1 cal = 4,184 Joules)

Gomes

Introdução a Refrigeração e Congelamento

 Introdução a Refrigeração e Congelamento

No estágio atual de desenvolvimento das tecnologias em alimentos é necessário planejar o armazenamento e a distribuição de alimentos não processados (legumes, frutas, hortaliças), pré-processados (alimentos pré-cozidos) ou processados (que passaram por processos industriais). Para manter a qualidade e suas características sensoriais utiliza-se principalmente como método de conservação o frio.

        Refrigeração e congelamento de alimentos são os métodos modernos mais utilizados para a conservação de alimentos. Na maioria das vezes refrigeração tem resultados positivos, o alimento se mantém seguro por muito tempo, no entanto, por vezes, acontece o inesperado. Por exemplo, bananas refrigeradas e uma variedade de legumes desenvolvem marcas pretas, tomate fica encharcado, carne congelada por sua vez, marrom e até mesmo alguns alimentos estragam.

Vamos à algumas dúvidas comuns:

Por que os alimentos estragam?

        Os alimentos possuem uma composição bastante complexa, ou seja, possuem um número muito grande de componentes. Estes componentes são em sua maior parte água, proteínas, lipídios e carboidratos, além de outros importantes como sais minerais, vitaminas (cofatores) e ácidos nucléicos. Tal como o corpo humano, que consegue aproveitar significativa parte destes compostos, uma grande variedade de espécie de microrganismos também estão habilitados a fazê-lo. Isto faz com que os alimentos sejam locais ideais para a proliferação destes organismos. Veja alguns exemplos:

                                                      Bactérias

É um dos grupos mais conhecidos e numerosos. Podem ser deteriorantes, quando causam alterações nas propriedades sensoriais (cor, cheiro, sabor, textura, viscosidade etc.) ou patogênicas, que são as que causam doenças. Um grande número de espécies de bactérias são conhecidas como patogênicas, entre estas destacam-se: Salmonella typhi, Bacillus  cereus, Clostridium botulinum, Clostridium perfringens, Vibrio Cholerae, Vibrio parahaemolyticus. (Mais para frente escreverei com mais detalhes sobre cada um desses MO. )

 Fungos

São a grosso modo divididos em fungos filamentosos (bolores) e leveduras. Sua ocorrência é mais comum em alimentos com baixo percentual de água e/ou elevada porção de lipídios como amêndoas e castanhas, por exemplo. Os fungos são os principais perigos biológicos destes alimentos. Seu risco está na produção de microtoxinas por algumas espécies. Estes compostos ao serem ingeridos acumulam-se no organismo causando uma série de transtornos, desde ataques ao fígado a alguns tipos de câncer.

          Vírus

        Em sua maior parte, o grupo de microrganismos mais associados aos perigos biológicos são as bactérias e os fungos. Contudo, atualmente tem se dado maior destaque a vírus, como o caso da febre aftosa ou da gripe aviária.

Como a refrigeração conserva os alimentos?

        A atividade dos microrganismos é diminuída a baixas temperaturas. Quando está frio, seus processos químicos desaceleraram, assim eles não são capazes de se reproduzir e desenvolver na mesma velocidade como acontece em temperatura ambiente, de modo que o alimento é preservado por mais tempo.

Vale lembrar que a Refrigeração não mata as bactérias!

        A velocidade das reações químicas e enzimáticas diminui ou aumenta em termos logarítmicos com a temperatura, segundo a lei de Arrhenius. Portanto com a diminuição da temperatura, reduzimos essas reações não apenas dos microrganismos, mas também das reações que ocorrem no próprio alimento. A perda de qualidade dos alimentos decorrem da atividade fisiológica ou de outras reações químicas, como oxidação de lipídeos, degradação de pigmentos e vitaminas, desnaturação de proteínas, etc.

        O efeito da temperatura na velocidade dos processos químicos pode ser descrito através do coeficiente de temperatura ou valor , que é definidos como mudança da velocidade da reação quando há variação de 10°C na temperatura que a mesma se processa, conforme a equação:

Para a maioria dos alimentos, o valor  varia entre dois e três, indicando que para cada 10°C de redução de temperatura, a velocidade dos processos diminui pela metade ou um terço (Ordóñez, 2005).

 - Como é que diferem os processos de refrigeração do congelamento?

Em refrigeração, os alimentos são armazenados a uma temperatura entre 3-7 graus Celsius, são ligeiramente mais elevados do que as temperaturas abaixo de zero do congelador.

Já no congelamento faz com que a água no alimento se transforme em gelo, que não é o caso da refrigeração. Portanto, os alimentos congelados são preservados por mais tempo (até 6 meses) comparado com uma média de 7 dias na refrigeração. Isso acontece porque o congelamento elimina a água livre disponível para o crescimento bacteriano, desacelerando as reações químicas e bioquímicas.

 - Por que alguns alimentos desenvolvem marcas pretas quando estocados na geladeira?

        Algumas frutas e legumes sofrem danos pelo frio na geladeira. Sinais de injúria pelo frio incluem, lesões superficiais, descoloração e murcha. Esse escurecimento se faz pelo trabalho de enzimas especialmente a polifenoloxidase que reage com o tanino que está presente na casca dos alimentos, que origina o seu escurecimento causando o aspecto de podridão. Frutas e vegetais suscetíveis ao dano pelo frio, que não devem ser refrigerados são: maçãs, tomates, pepino, laranja, mamão, abacaxi, banana, manga, pimenta e limão.

 - Como se produz frio?

        Os mecanismos de produção do frio podem ser classificados de acordo com o método para remover o calor. Desse modo, são encontrados os refrigeradores mecânicos e os sistemas criogênicos.

O esquema de um refrigerador mecânico é mostrado na figura abaixo de uma forma bem simplificada. O sistema é baseado na compressão, liquefação e expansão de uma substância dentro de um circuito fechado, sofrendo mudanças de estado. As três principais partes desse sistema são o compressor (4), o condensador (1) e o evaporador (3). A circulação do líquido refrigerante é controlada através de uma válvula de expansão (2), que permite a sua passagem ao evaporador à medida que se necessita abaixar ou manter a temperatura na câmara de refrigeração. 

A explicação de cada um dos componentes junto com mais detalhes e toda a termodinâmica envolvida serão escritos nas próximas postagens, porém antes disso vamos fazer uma revisão em todos os seus conceitos e fatores envolvidos.

Pasteurização

Pasteurização é o processo utilizado em alimentos para destruir microrganismos patogênicos ali existentes. Foi criado em 1864, levando o nome do químico francês que o criou: Louis Pasteur.
A pasteurização consiste, basicamente, no aquecimento do alimento a uma determinada temperatura, por determinado tempo, e depois resfriado a uma temperatura inferior a de antes, de forma a eliminar os micro-organismos ali presentes.
Posteriormente, tais alimentos são selados hermeticamente por questões de segurança, evitando assim uma nova contaminação.
O avanço científico de Pasteur melhorou a qualidade de vida dos humanos permitindo que produtos, como por exemplo o leite, pudessem ser transportados sem sofrerem decomposição.

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História da pasteurização

Louis Pasteur (1822-1895), descobriu em 1864 que ao aquecer certos alimentos e bebidas acima de 60°C por um determinado tempo (chamado de binômio tempo x temperatura), e depois baixar bruscamente a temperatura do alimento evitando a sua deterioração, reduzia de maneira significativa o número de micro-organismos presentes na sua composição.
No final do século XIX, Franz von Soxhlet propôs a aplicação do procedimento da pasteurização para o leite in natura, comprovando que o processo era eficaz para a destruição das bactérias existentes neste produto.
Deste modo, deram origem não só a um importante método de conservação, como também a uma medida higiénica fundamental para preservar a saúde dos consumidores e conservar a qualidade dos produtos alimentícios.

Tipos de pasteurização

Existem dois tipos de pasteurização^[1]:

• Pasteurização lenta, em que se aplicam temperaturas mais baixas durante maior tempo. A temperatura utilizada é da ordem de 65°C durante trinta minutos.

• Pasteurização rápida, quando se aplicam temperaturas mais altas, da ordem dos 72 a 75˚C, durante 15 a 20 segundos.

Refrigeração por absorção

Os sistemas de refrigeração por absorção de vapores são ciclos de refrigeração operados a calor, onde um fluido secundário ou absorvente na fase líquida é responsável por absorver o fluido primário ou refrigerante, na forma de vapor.
Ciclos de refrigeração operados a calor são assim definidos, porque a energia responsável por operar o ciclo é majoritariamente térmica.
Descoberta pelo escocês Nairn em 1777, a refrigeração por absorção tem por "pai" o francês Ferdinand Carré (1824-1900), que em 1859 patenteou a primeira máquina de absorção de funcionamento contínuo, usando o par amônia-água.
Água quente, vapor (baixa pressão e alta pressão) e gases de combustão, são algumas das fontes de calor utilizadas para operar equipamentos de absorção, cuja energia térmica pode ser obtida a partir dos seguintes meios:

Ciclo básico de refrigeração por absorção

O ciclo básico de refrigeração por absorção opera com dois níveis de pressão, estabelecidos pelas temperaturas de evaporação ${\displaystyle T_{E}}$ e condensação ${\displaystyle T_{C}}$, respectivamente.
A Figura 1 mostra um esquema de um ciclo básico de refrigeração por absorção e seus componentes principais. Pela figura se pode observar que o ciclo contém dois circuitos, o circuito da solução e o circuito de refrigerante. As setas indicam o sentido de escoamento do refrigerante e da solução, e também o sentido do fluxo de calor entrando ou saindo do ciclo.
No gerador, calor de uma fonte a alta de temperatura é adicionado ao ciclo a uma taxa ${\displaystyle {\dot {q}}_{G}}$, fazendo com que parte do refrigerante vaporize à temperatura de geração ${\displaystyle T_{G}}$, e se separe da solução.
Esse vapor de refrigerante segue para o condensador, onde o calor de condensação é removido do ciclo, por meio de água ou ar, a uma taxa ${\displaystyle {\dot {q}}_{C}}$, fazendo com que o refrigerante retorne para a fase líquida à temperatura de condensação ${\displaystyle T_{C}}$.
O refrigerante líquido, à alta pressão, passa por uma válvula de expansão - VEX, onde ocorre uma brusca queda de pressão associada com a evaporação de uma pequena parcela do refrigerante.
Esse fenômeno, conhecido como expansão, faz cair a temperatura do refrigerante, que segue então para o evaporador.
No evaporador, o refrigerante líquido, a uma baixa pressão e a uma baixa temperatura, retira calor do meio que se deseja resfriar a uma taxa , retornando novamente para a fase de vapor à temperatura de evaporação .
No gerador, após a separação de parte do refrigerante, a solução remanescente torna-se uma solução fraca ou pobre em refrigerante.
Essa solução pobre, a uma alta temperatura e a uma alta pressão, passa por uma válvula redutora de pressão - VRP, tem sua pressão reduzida ao nível da pressão de evaporação e segue para o absorvedor. No absorvedor, a solução absorve vapor de refrigerante oriundo do evaporador, tornando-se uma solução forte ou rica em refrigerante.
O processo de absorção é exotérmico, e para que esse processo não sofra interrupção, o calor de absorção precisa ser removido do ciclo a uma taxa , de forma a manter constante a temperatura de absorção .
Uma bomba de recirculação de solução - BSC é responsável por, simultaneamente, elevar a pressão e retornar a solução rica para o gerador, garantindo assim a continuidade do ciclo.
 Vale destacar que o condensador e gerador estão submetidos à uma mesma pressão, pressão de alta do sistema, e por isso, em alguns equipamentos comerciais, são abrigados em um mesmo vaso.
Da mesma forma, o evaporador e o absorvedor estão submetidos à mesma pressão, pressão de baixa do sistema, e eventualmente abrigados em um mesmo vaso.

Coeficiente de performance - COP

O coeficiente de performance - COP, também conhecido como coeficiente de eficácia, caracteriza o desempenho de um ciclo de refrigeração, relacionando o efeito desejado - refrigeração, com o que se paga por isso - energia consumida. No caso de um ciclo de refrigeração por absorção, o COP é definido como a relação entre a taxa de refrigeração e a taxa de fornecimento de potência no compressor.
${\displaystyle COP={\frac {{\dot {q}}_{E}}{\dot {W}}}}$
${\displaystyle COP={\frac {(\ T_{G}-\ T_{A})}{\ (T_{A}-\ T_{E})}}}$
Onde,
${\displaystyle T_{A}}$ - Temperatura de entrada no compressor;
${\displaystyle T_{E}}$ - Temperatura de entrada no evaporador
${\displaystyle T_{G}}$ - Temperatura de saída do compressor.
Considera-se que a temperatura da solução no absorvedor é aproximadamente igual à temperatura do refrigerante no condensador ou temperatura de condensação ${\displaystyle T_{C}}$ .

Classificação

Os sistemas de refrigeração por absorção podem ser classificados segundo os fluidos de trabalho empregados. São três as tecnologias comercialmente consagradas:

• Amônia-água;
• Amônia-água-hidrogênio; e
• Água-brometo de lítio.

Os sistemas de refrigeração por absorção, utilizando a solução binária amônia-água, passaram a ser empregados comercialmente, a partir de 1859, com o intuito de produzir gêlo.
Nesses sistemas, a água faz o papel do fluido secundário, ou seja, é responsável por absorver os vapores de amônia.
 Por utilizarem amônia como refrigerante, cuja temperatura de congelamento é de -77°C, tais sistemas são hoje normalmente empregados no campo da refrigeração, em grandes instalações industriais, que requeiram temperaturas inferiores a 0°C.
Contudo, o uso da solução amônia-água se estendeu, a partir das décadas de 1960 e 1970, para equipamentos de ar condicionado de pequeno a médio porte (10 a 90 kW), com condensação a ar, no resfriamento e na calefação de instalações residenciais e comerciais.
O sistema de refrigeração por absorção utilizando amônia-água-hidrogênio, também conhecido como sistema por difusão, foi desenvolvido em 1920 pelos suecos
Baltazar von Platen e Carl Munters. Tem como base o ciclo amônia-água, com a adição de hidrogênio para equalizar a pressão em todo o sistema.
Empregado em refrigeradores residenciais e veiculares, o ciclo não possui bomba de recirculação de solução, fazendo com que esses equipamentos sejam extremamente silenciosos.

A utilização da absorção com solução de água-brometo de lítio, se deu a partir de 1946 com a disseminação do uso do condicionamento do ar para resfriamento e calefação de ambientes.
Nesse sistema, a água desempenha o papel do refrigerante, enquanto uma solução de água-brometo de lítio é o agente absorvente.
Por utilizar água como refrigerante, cuja temperatura de congelamento é 0°C, sua utilização é restrita a aplicações com alta temperatura de evaporação, ar condicionado por exemplo.
Atualmente, instalações centrais de ar condicionado em grandes edifícios, utilizam equipamentos de absorção, com condensação a água, fabricados nas capacidades de 352 a 5.275 kW.

Refrigeração 

é a ação de resfriar determinado ambiente de forma controlada, tanto para viabilizar processos, processar e conservar produtos (refrigeração comercial e industrial) ou efetuar climatização para conforto térmico (veja ar-condicionado e ventilação).

Ciclos de refrigeração

Para diminuir a temperatura é necessário retirar energia térmica de determinado corpo ou meio. Através de um ciclo termodinâmico, calor é extraído do ambiente a ser refrigerado e é enviado para o ambiente externo. A refrigeração não destrói o calor, que é uma forma de energia. Ela apenas o move de um lugar não desejado para outro que não faz diferença.
Entre os ciclos de refrigeração, os principais são o ciclo de refrigeração padrão por compressão, o ciclo de refrigeração por absorção e o ciclo de refrigeração por magnetismo.

Ciclo de refrigeração por compressão de Vapor

Princípios

Esquema básico de um sistema de refrigeração.

Num ciclo de refrigeração, por compressão de vapor (refrigerador, ar-condicionado), existem basicamente cinco componentes:
Compressor, condensador, dispositivo de expansão, evaporador e fluido refrigerante.
O fluido refrigerante na forma de líquido saturado passa pelo dispositivo de expansão (restrição), onde é submetido a uma queda de pressão brusca, onde passa a ter dois estados: predominantemente líquido e, em menor quantidade, gasoso. O fluido refrigerante, nesse ponto, é denominado de flash gás. Logo, o fluido é conduzido para o evaporador, onde absorverá calor do ar do ambiente a ser climatizado, vaporizando-se.
Na saída do evaporador, na forma de gás, é succionado pelo compressor, que eleva sua pressão (e temperatura) para que possa ser conduzido através do condensador, onde cederá calor ao ambiente externo, condensando o fluido e completando o ciclo. O ventilador, força a circulação de ar, fazendo com que o ar a ser resfriado atravesse, de forma perpendicular, os tubos aletados da serpentina do evaporador.

Etapas de um Ciclo Ideal de Refrigeração

Evaporação

Representação no diagrama pxh

A evaporação é a etapa onde o fluido refrigerante entra na serpentina como uma mistura predominantemente líquida, e absorverá calor do ar forçado pelo ventilador que passa entre os tubos aletados. Ao receber calor, o fluido refrigerante saturado vaporiza-se, absorvendo calor latente e calor sensível.
A capacidade de refrigeração, em W, pode ser expressada através da equação:

${\displaystyle {\dot {Q_{l}}}={\dot {m}}*(h_{1}-h_{4})\,\!}$

Compressão

Representação no diagrama pxh

A função do compressor é comprimir o fluido refrigerante, sempre no estado físico de vapor, elevando a pressão do fluido. Em um ciclo ideal, a compressão é considerada adiabática reversível (isoentrópica), ou seja, desprezam-se as perdas. Na prática perde-se calor ao ambiente nessa etapa, porém não é significativo em relação à potência de compressão necessária.
A potência de compressão, em W, pode ser expressada pela seguinte equação:

${\displaystyle {\dot {W_{c}}}={\dot {m}}*(h_{2}-h_{1})\,\!}$

Condensação

Representação no diagrama pxh

A condensação é a etapa onde ocorre a rejeição de calor do ciclo. No condensador, o fluido na forma de gás saturado é condensado ao longo do trocador de calor, que em contato com o ar cede calor ao meio ambiente.
O calor rejeitado pelo condensador, em W, pode ser expresso pela equação:

${\displaystyle {\dot {Q_{h}}}={\dot {m}}*(h_{2}-h_{3})\,\!}$

Expansão

Representação no diagrama pxh

A expansão é a etapa onde ocorre uma perda de pressão brusca, porém controlada que vai reduzir a pressão do fluido, da pressão de condensação para a pressão de evaporação. Em um ciclo ideal ela é considerada isoentálpica, despreza-se as variações de energia cinética e potencial.

${\displaystyle h_{3}=h_{4}\,\!}$

Coeficiente de performance

O coeficiente de performance, COP, é um parâmetro fundamental na análise de sistemas de refrigeração. Mesmo sendo de um ciclo teórico, pode-se verificar os parâmetros que influenciam o desempenho do sistema. A capacidade de retirar calor sobre a potência consumida pelo compressor deve ser a maior possível.
Define-se COP com a seguinte relação:

${\displaystyle COP={\dot {Q_{l}}}/{\dot {W_{C}}}\,\!}$

Variáveis

${\displaystyle {\dot {m}}}$ - Vazão mássica de refrigerante em kg/s
${\displaystyle {\dot {Q_{l}}}}$ - Calor retirado pelo evaporador em W.
${\displaystyle {\dot {Q_{h}}}}$ - Calor cedido pelo condensador em W.
${\displaystyle {\dot {W}}}$ - Trabalho realizado pelo compressor em W.
${\displaystyle \ h_{1}}$, ${\displaystyle \ h_{2}}$, ${\displaystyle \ h_{3}}$ e ${\displaystyle \ h_{4}}$ - Entalpia de estado J/kg.

${\displaystyle \ COP}$ - Coeficiente de performance.

Gomes

Refrigeração

A refrigeração é processo termodinâmico em que o calor é retirado de um sistema isolado para o ambiente, através de um fluido denominado refrigerante.
É importante lembrar que existem 3 tipos de sistemas termodinâmicos sendo estes isolados, abertos e fechados.

A segunda lei da termodinâmica trata simplesmente das transferências energéticas entre corpos.
Em outras palavras, o calor de um corpo mais quente vai para um corpo mais frio.
É importante, no entanto saber que calor é uma forma de energia e o conceito de quente e frio é apenas uma sensação relacionada com as variações de temperatura.
Desde a descoberta das propriedades criogênicas dos gases pelo homem no século XVIII, muitas pesquisas foram realizadas.
Uma delas partiu da necessidade que as pessoas tinham de manter seus alimentos conservados, degustar bebidas geladas, enfim obter tudo o que a refrigeração pode proporcionar ao invés de utilizar a neve como refrigerador.
No ano de 1748 Wiliam Cullen demonstrou que era possível extrair o calor presente em um ambiente através das propriedades dos gases, porém não foi mais longe.
Um inventor chamado Jacob Perkins em 1834 construiu a primeira máquina de refrigeração, que foi chamada de geladeira em virtude do nome desta máquina ter sido usado pela primeira vez, pelo engenheiro Thomas Moore.
Os gases mais utilizados como fluido refrigerante são dióxido de enxofre, amônia, clorofluorcarboneto (CFC), diclorofluormetano, propano em virtude de seu potencial criogênico.
 Vale apena lembrar que dióxido de enxofre, amônia e CFC não são mais usados em virtude de seu potencial poluidor e tóxico.

1. o compressor comprime o gás, que esquenta e vaporiza.
2. as serpentinas na parte traseira do refrigerador permitem a dissipação do calor. 
3. Transferido o calor para o gás, que quando de sua passagem pelo interior do refrigerador o gás é novamente condensado, sob alta pressão.
4. o gás flui através da válvula de expansão onde de um lado é cavidade de alta pressão e de outro é a cavidade de baixa pressão, ou seja, a parte de cima é baixa pressão e a debaixo é a alta pressão por que o compressor está sugando o gás e comprimindo, como mostra a seta.
5. o gás entra em ebulição novamente após o processo 3 e evapora retirando o calor e transferindo-o para o ambiente. 
6. Onde novamente o gás é sugado pelo compressor para que o ciclo prossiga.

Para que o processo ocorra é necessário que o trabalho seja realizado, neste caso quem realiza trabalho é o compressor por que ele é quem promove a circulação do gás refrigerante pelo sistema.