Prática 6

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UNIVERSIDADE AGOSTINHO NETO 
FACULDADE DE CIÊNCIAS 
DEPARTAMENTO DE FÍSICA 
 
 
 
PRÁTICAS DE LABORATÓRIO DE FÍSICA MOLECULAR E 
TERMODINÂMICA 
 
 
 
TRABALHO PRÁTICO N°7 
BOMBA DE CALOR 
 
 
ELABORADO POR: 
 Anselmo Gomes Tomás 
APOIOS DE: 
 Eduardo Panzo 
 Adolfo Chitula Chinhama 
 Nilton Marcelino Victória Sandumbo 
LUANDA 
2016 
Laboratório de Física Molecular e Termodinâmica 
 
 
FC-UAN 2019 Página 2 
 
ÍNDICE 
2.Conceitos introdutórios………………………………………………………...............Página 3 
2.1.Objectivos da prática experimental………………………………………...………...Página 3 
3.Fundamentação teórica…………………………………………………………………Página 3 
4.Método experimental………………………………………………………….…..........Página 6 
4.1.Instalação dos equipamentos e funcionamento………………………………………Página 6 
4.2.Procedimentos experimental…………………………..……………………………...Página 7 
5.Conteúdos relacionasdos……………………………………………………………….Página 8 
6.Anexos………………………………………………………………………………….Página 9 
7.Bibliografia………………………………………………………………..…………..Página 13 
 
 
Laboratório de Física Molecular e Termodinâmica 
 
 
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2. Conceitos introdutórios 
Bomba de calor, é um dispositivo que opera segundo um ciclo que precisa de 
trabalho para que seja possível a transferência de calor de um corpo a baixa temperatura 
para outro a alta temperatura. São equipamentos projectados para mover energia térmica 
na direcção oposta ao fluxo espontâneo de calor, sendo que o calor flui 
espontaneamente de uma fonte de temperatura alta para uma fonte de temperatura baixa. 
2.1. Objectivos da prática experimental: 
Verificar o funcionamento de uma máquina térmica e analisar a variação do seu 
rendimento em função da diferença de suas temperaturas. 
 
3. Fundamentação teórica 
A denominação bomba de calor ou ciclo de refrigeração depende do uso que se 
faz do ciclo, já que o equipamento é o mesmo para ambos os casos, se utilizarmos para 
obtenção do frio chamamos de ciclo de refrigeração e se utilizarmos para obtenção de 
calor chamaremos de bomba de calor. Devemos também notar que ambos os processos 
acontecem simultaneamente, e podemos aproveitar tanto a produção do frio como a de 
calor ao mesmo tempo. 
A bomba de calor utiliza trabalho para retirar energia de uma fonte de calor a 
baixa temperatura (fonte fria) e tornar essa energia disponível para uma fonte de calor a 
temperatura mais alta (fonte quente). É um processo não espontâneo realizado por meio 
de um ciclo termodinâmico que necessita de uma fonte de calor, permutador de calor 
(absorvendo e liberando o calor) e certa quantidade de energia para manter o sistema em 
andamento. 
 
Figura 1- Diagrama de energias num refrigerador 
 
Em uma bomba de calor ideal, todos os processos são reversíveis e não há 
perdas nas transferências de energia que ocorrem em virtude do atrito e da turbulência. 
Nas bombas de calor, sempre ocorre troca de calor entre o refrigerante e as substâncias 
externas ao equipamento, entretanto, num sistema real, a fonte quente perde calor para o 
meio e a fonte fria recebe calor do meio, devido à diferença de temperatura entre eles. 
Então, não existem bombas de calor perfeitas, pois não é possível uma série de 
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processos cujo único efeito seja a transferência de energia na forma de calor de um 
reservatório a baixa temperatura para o outro a temperatura mais alta. 
A bomba de calor explora as propriedades físicas da evaporação e condensação 
de um fluido volátil conhecido como refrigerante, esse fluido é comprimido para se 
tornar mais quente no lado a ser aquecido e libera a pressão no lado onde o calor é 
absorvido. Dependendo da finalidade e das condições de operação, o fluido que mais se 
adequa é escolhido, uma vez que não há um refrigerante que possua todas as qualidades 
consideradas ideais, a saber, condensar-se a pressões moderadas, evaporar-se a pressões 
acima da atmosférica, ser quimicamente estável, não ser corrosivo, não ser tóxico, ser 
de fácil localização em caso de vazamentos e não atacar a camada de ozono. São 
algumas das principais propriedades de um bom refrigerante. Segundo a EPA (Agência 
de Protecção Ambiental dos Estados Unidos), alguns dos fluidos recomendados são, o 
R-410A, o R-134a e o R-407C, pois, são compostos por átomos de carbono, hidrogénio 
e flúor, não são prejudiciais à camada de ozono por não possuírem cloro em sua 
composição. 
O ciclo de refrigeração aparentemente afronta o princípio da entropia, transporta-
se calor de uma fonte mais fria para uma fonte mais quente. Se analisarmos 
detalhadamente, no entanto, o que ocorre é que fazemos uso das características físicas 
de um gás, para elaborar um ciclo termodinâmico no qual o gás realiza o trabalho de 
transporte de calor. Com a ajuda do diagrama de Mollier ( ) que nos monstra uma 
representação idealizada do diagrama da bomba de calor, podemos descrever as leis 
associadas a esses fenómenos: 
 
 
 
 
. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2- Diagrama de Mollier para a Bomba de Calor. 
 
Os estados e suas respectivas propriedades referem-se ao ciclo real de 
compressão de vapor, onde é a pressão de evaporação e a pressão de condensação 
do fluido refrigerante. 
 Partindo do ponto , o compressor comprime a substância de trabalho até ao 
ponto . Logo, a energia para accionar a bomba de calor pode ser o trabalho ou 
simplesmente calor. O compressor realiza trabalho para poder comprimir o gás, 
então o trabalho é determinado pela entropia do modo seguinte: 
 
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 No caminho do ponto , o calor útil é liberado e a substância de trabalho 
condensa no ponto , então, o calor cedido à fonte quente é determinado por: 
 
 Em seguida, a substância de trabalho flui através da válvula redutora e atinge o 
ponto . A medida que passa do ponto para o ponto , a substância de 
trabalho absorve a energia do meio ambiente e evaporiza, então, o calor 
absolvida à fonte fria, é determinado por: 
 
Neste processo, a entalpia permanece constante, logo: 
Uma bomba de calor, pode ser analisada em termos de sua eficiência energética 
através do coeficiente de performance (COP), sendo esta comummente utilizada para se 
avaliar a relação entre a capacidade de aquecimento obtido e o trabalho gasto, ou para se 
avaliar a relação entre a capacidade de arrefecimento cedido e o trabalho gasto. 
 
 
 
 
 
 
 
À medida que a válvula limitadora, controlada por um termostato, deixa passar a 
substância de trabalho, o processo nem sempre é uniforme, logo, o fluxo de energia 
no lado do condensador e vaporizador é calculado pelo aquecimento e arrefecimento da 
água do banho. 
 
 
 
 
O desempenho resultante é, portanto: 
 
 
 
A eficiência volumétrica do compressor é a razão entre o volume de curso 
efectivo e o volume geométrico . 
 
 
 
 
O fluxo real de volume da substância de trabalho no circuito e a eficiência 
volumétrica do compressor pode ser calculado a partir da relação com o fluxo de calor 
do vaporizador, volume específico e as entalpias, de modo seguinte: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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4. Método experimental 
4.1. Instalação dos equipamentos e funcionamento: 
 Materiais utilizados: 
 Bomba de calor, compressor; 
 Termómetro de laboratório, -10ºC à 100 °C; 
 Termómetro de laboratório com haste, -10ºC à 100 °C; 
 Pasta condutora de calor, 50 g; 
 Ventilador de ar quente, 1700 W; 
 Cronómetro, digital, 1/100 seg; 
 Vareta de vidro, boro 3.3, ; 
 Medidor de energiae potência. 
 
 Montagem: 
 A experiência é montada como na figura 1 dos anexos. 
 
 Funcionamento: 
A bomba de calor funciona de acordo com o ciclo de refrigeração por compressão a 
vapor mostrado na figura 2 dos anexos, sendo que o fluido percorre este ciclo 
termodinâmico circulando pelo sistema através de tubos isolados. 
Na mudança do estado para o estado , o fluído recebe trabalho no 
compressor e transfere calor no condensador, ou seja, o compressor ao comprimir o 
fluído de forma adiabática, reduz o seu volume e consequentemente aumenta a sua 
pressão e a sua temperatura. É essencial que o refrigerante atinja uma temperatura 
suficientemente alta quando comprimido para liberar calor através do condensador e a 
diferença de pressão deve ser grande o bastante para que o fluido se condensa no lado 
quente. Quanto maior a diferença de temperatura maior será a diferença de pressão 
necessária e, consequentemente, maior a será a energia requerida para comprimir o 
fluido. 
Na mudança do estado para o estado , o calor é então rejeitado à pressão 
constante no condensador o que resulta na diminuição da temperatura, e o fluido de 
trabalho deixa o condensador como líquido saturado. Ao passar pelo condensador, o 
fluído refrigerante a uma temperatura maior em relação ao condensador, rejeita calor a 
fonte quente e então, sofre uma condensação, ou seja, acontece uma mudança de fase, 
de vapor para líquida. 
Na mudança do estado para o estado , quando o fluido refrigerante escoa 
pela válvula de expansão, ocorre uma queda de pressão e diminuição da temperatura. O 
refrigerante condensado passa por uma válvula de expansão que causa a diminuição da 
sua pressão e da sua temperatura. É necessário que o fluído atinja uma temperatura 
suficientemente baixa quando expandido, para que o calor possa fluir do ambiente frio 
para o fluido no evaporador. A diferença de pressão deve ser grande o bastante para que 
o fluido possa evaporar no lado frio. 
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Na mudança do estado para o estado , o fluido líquido passa pelo 
vaporizador, onde ele absorve calor e ferve, ou seja, causa o aumento da sua 
temperatura. Quando ele absorve calor no vaporizador, onde a pressão e a temperatura 
são baixas, o fluído sofre uma vaporização, ou seja, acontece uma mudança de fase, de 
líquida para vapor. O fluído passa a ter então uma temperatura maior devido à absorção 
de calor. Logo após, ele retorna para o compressor e o ciclo se repete. 
 
 
4.2. Procedimento experimental: 
Prática: Operação água-água. 
 
1. Despeje uma quantidade medida de água em ambos os reservatórios 
de modo que o permutador de calor seja completamente imerso; 
2. Assegurar que a água no lado do vaporizador esteja mais fria do que no lado 
do condensador, para isto, deve ser colocada uma pequena quantidade de gelo 
no lado do vaporizador; 
3. Meça as pressões e as temperaturas antes de ligar a bomba de calor; 
4. Ligar a bomba de calor e o cronómetro; 
5. Medir a potência do compressor, medir as pressões e as temperaturas no 
condensador e vaporizador a cada 5 minutos; 
6. Anotar os valores medidos na tabela 2 dos anexos e cessar medições após 
aproximadamente 50 minutos; 
7. Fazer o gráfico da potência absorvida e das temperaturas em função do tempo 
e comparar com o gráfico teórico; 
8. Achar o valor das entalpias em cada ponto do processo usando as propriedades 
do fluido de trabalho dadas na tabela 1 dos anexos; 
9. Determinar aproximadamente a potência absorvida pela água no condensador 
e a cedida no vaporizador em cada intervalo de tempo (através da diferença de 
temperaturas). 
10. Calcular o COP (quente e frio) da Bomba de calor em cada instante; 
 
 
 
 
 
 
 
 
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5. Conteúdos relacionados 
Leia sobre... 
 Máquinas térmicas. 
 Ciclo de Refrigeração. 
 Compressor. 
 Válvula redutora. 
 Condensação, vaporização e entalpia. 
 Diagramas termodinâmicos. 
 
Questões de controlo… 
 O que é uma máquina térmica e como podem operar? 
 O que é máquina de Carnot e qual é o seu significado físico? 
 Escreva o gráfico que representa o ciclo de Carnot. 
 Explicar os processos termodinâmicos de uma máquina qualquer e 
de uma máquina de Carnot. 
 Explicar as grandezas entropia e entalpia e seus significados físicos. 
 Qual é a diferença entre entalpia e entalpia específica? 
 O que é o coeficiente de performance e como determiná-los? 
 O que é o rendimento e como determina-lo? 
 Explique oralmente os procedimentos experimentais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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ANEXOS 
 RESULTADOS TEÓRICOS: 
Gráfico das temperaturas em função do tempo de operação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 - Temperatura na entrada e na saída do vaporizador. 
 
 
 - Temperatura na entrada e na saída do condensador. 
As linhas contínuas representam as temperaturas da água nos reservatórios do 
condensador e no vaporizador . 
 
Valores esperados… 
 
Para uma certa quantidade de água equivalente à ( ), os valores 
esperados à obter-se, são: 
 
 
 
 
 
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 TABELAS: 
Tabela 1- Relação entre a entalpia, temperatura, pressão e o volume específico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Tabela 2- Valores medidos. 
 
 FIGURAS: 
Figura 1- Montagem do experimento 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2- Máquina térmica funcionando como bomba de calor. 
 
 
 
 
 
VAPORIZADOR CONDENSADOR ENTALPIAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 GRANDEZAS E CONSTANTES: 
 
1. : Tempo de operação da bomba de calor; 
2. : Temperatura do fluído; 
3. : Calor liberado ou cedido no reservatório; 
4. : Trabalho realizado no compressor; 
5. : Representação da eficiência da bomba de calor; 
6. : Quantidade específica de energia; 
7. : Entalpia específica; 
8. : Quantidade de calor por unidade de tempo ou fluxo de calor; 
9. : Calor específico; 
10. : Massa da água; 
11. : Desempenho da bomba de calor; 
12. : Volume específico do vapor; 
13. : Eficiência volumétrica do compressor; 
14. : Volume de curso geométrico do compressor; 
15. : Volume de curso efectivo do compressor. 
 
 
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BIBLIOGRAFIA 
 Manual de laboratório de física experimental. II-Hat sumi Makai e Paulo R.G; 
 HALLIDAY, D. Resnick. Funadamentos de Física 2, Termodinamica.