Fundamentos do ar-condicionado

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Fundamentos do ar-condicionado
História, desenvolvimento, definições e aplicações do ar-condicionado e da refrigeração industrial, o que é
psicrometria e como usar a carta psicrométrica.
Prof. Fábio Tofoli
1. Itens iniciais
Propósito
A psicrometria é o estudo do ar atmosférico e seu conhecimento é fundamental para entendermos as
propriedades do ar e quais processos podem ser efetuados. O estudo dos fundamentos do ar-condicionado e
da refrigeração é importante para que o engenheiro tenha condições para a elaboração de projetos de
climatização e refrigeração mais eficientes.
Objetivos
Empregar os conceitos e as equações de termodinâmica no estudo de refrigeração e ar-condicionado.
Recordar a história e o desenvolvimento do ar-condicionado.
Reconhecer as definições e aplicações do ar-condicionado e da refrigeração industrial.
Aplicar os conceitos de psicrometria em cartas psicrométricas de forma gráfica e por software.
Introdução
Olá! Antes de iniciarmos, assista ao vídeo e compreenda os aspectos mais importantes no estudo da
refrigeração e climatização. Veremos os conceitos da termodinâmica, a história da refrigeração, as
propriedades do ar atmosférico e muito mais!
Conteúdo interativo
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1. Termodinâmica aplicada à refrigeração
Conceitos de termodinâmica aplicados ao estudo da
refrigeração industrial e ar-condicionado
Assista ao vídeo e conheça os principais conceitos de termodinâmica que serão abordados neste módulo, no
contexto da refrigeração industrial e ar-condicionado.
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Propriedades termodinâmicas
Confira no vídeo exemplos práticos de propriedades termodinâmicas e estado termodinâmico.
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Propriedades termodinâmicas e estado termodinâmico
Uma propriedade termodinâmica é uma característica ou atributo do sistema termodinâmico ou da substância
que observamos. Essa característica é avaliada quantitativamente e depende do estado termodinâmico,
definido como o conjunto de propriedades que descrevem as condições de um sistema.
Para entendermos o estado de uma substância, devemos conhecer ao menos duas propriedades dessa
substância.
Exemplo
Sabemos que a água a uma pressão de 1 atm e 20°C está no estado líquido (líquido comprimido).
Entretanto, se elevarmos a temperatura para 120°C e mantivermos a mesma pressão, a água estará no
estado de vapor (vapor superaquecido). 
As propriedades mais relevantes para nosso estudo são: pressão, temperatura, massa específica, volume
específico, calor específico, energia interna e entalpia. Vamos conhecê-las!
Pressão
É definida como sendo uma força normal atuando em uma unidade de área.
A imagem a seguir apresenta uma decomposição da força F em força normal e força tangencial ,
atuando sobre uma superfície de área .
Relação entre pressão e força.
No Sistema Internacional (SI), a força é dada em Newton (N), a área em metros quadrados (m2), portanto, a
pressão é medida em N/m2 ou, mais comum em Pascal (Pa), sendo que 1 Pa = 1 N/m2.
Quando medimos a pressão de determinado ponto, essa medição é feita em relação a uma referência que,
normalmente, é a pressão atmosférica do local. Chamamos essa aferição de pressão manométrica e a maioria
dos dispositivos de medição funcionam dessa forma, ou seja, tem sua calibração (seu zero) a partir da
pressão atmosférica. Entretanto, se o nosso interesse é na medição da pressão a partir do zero absoluto (a
pressão atmosférica é medida a partir do zero absoluto), verificamos a pressão absoluta do local. Deduzimos,
então, que:
A pressão manométrica de um fluido em repouso pode ser determinada pela lei de Stevin como:
Em que:
 massa específica [kg/m3]
 aceleração da gravidade [m/s2]
 peso específico do fluido [N/m3]
 altura da coluna de fluido [m]
Conheça algumas conversões importantes: 1 atm = 760 mmHg = 101,325 kPa = 1,01325 bar = 760 Torr =
14,696 lbf/in2 (psi)
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Escala de pressão e seus dispositivos de medição.
Veja alguns desses instrumentos de medição:
Exemplos de manômetros.
Barômetro de Torricelli.
Temperatura
É uma grandeza física que indica o grau de agitação das moléculas que compõe a substância, ou seja, quanto
maior o grau de agitação, maior será a temperatura do corpo.
No sistema internacional, a unidade absoluta de medição da temperatura é o Kelvin (K) enquanto a escala
efetiva, que tem como referência de escala a água no seu ponto triplo e no seu ponto de vaporização, é
medida em graus Celsius (°C).
No sistema inglês, a unidade de temperatura absoluta é o grau Rankine (°R) e a escala efetiva é o Fahrenheit
(°F).
A relação entre as escalas de temperatura é a seguinte:
Veja agora uma comparação entre as escalas:
Comparação entre escalas de temperatura.
Massa específica e volume específico
A massa específica é definida como a relação da massa de determinada substância por seu volume unitário.
No sistema internacional (SI), a massa é dada em kg, o volume em m3, portanto, a massa específica em kg/m3.
Comentário
Neste conteúdo, utilizaremos o símbolo para volume para podermos diferenciá-lo de velocidade (v). 
O volume específico é definido como a relação do volume da substância por unidade de massa da mesma
substância. Assim, verificamos que o volume específico é o inverso da massa específica.
Sua unidade no SI é m3/kg.
Exemplos práticos
Exemplo 1
Um ambiente se encontra na temperatura de 20°C. Qual será a leitura dessa temperatura nas escalas Kelvin,
Fahrenheit e Rankine?
 
Solução: vimos as equações de conversão e vamos aplicá-las para obter os novos valores.
De graus Celsius para Kelvin:
De graus Celsius para Fahrenheit:
De graus Fahrenheit para Rankine:
Exemplo 2
Um manômetro instalado em determinado ponto de uma tubulação por onde escoa água indica a pressão de
50 kPa. Essa tubulação está instalada em um local onde a pressão atmosférica é de 92 kPa, determine a
pressão absoluta nesse ponto.
 
Solução: o manômetro indica a pressão manométrica do local e a pressão absoluta é a soma dessa pressão e
da pressão atmosférica do local.
Substância pura
Fases e propriedades de uma substância pura e diagramas de fase
Conheça no vídeo as fases e as propriedades de uma substância pura e o que são diagramas de fase.
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Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.
Uma substância pura é aquela que mantém suas características (composição química) inalteradas após uma
mudança de fase e, durante a mudança, mantém a temperatura constante, desde que submetida a mesma
pressão durante o processo.
A água é um bom exemplo de substância pura: Se a água estiver como um bloco de gelo, no estado líquido ou
como vapor-d'água, a sua composição química continuará sendo .
Além disso, sabemos que se colocarmos água para ferver em uma panela ao nível do mar, onde a pressão
atmosférica é de 101,3 KPa, essa água ferverá a 100°C e durante a etapa de fervura a temperatura continuará
inalterada até que toda a água no líquido passe para o estado de vapor.
Em uma substância pura, para cada pressão existe uma temperatura na qual a substância muda de
fase e vice-versa.
Quando estamos verificando qual a temperatura de mudança de fase para determinada pressão, ela é
chamada de temperatura de saturação e quando estamos verificando qual a pressão necessária para a
mudança de fase para determinada temperatura, esta é chamada de pressão de saturação.
Temperatura Pressão de saturação 
-10 0,26
-5 0,4
0 0,61
5 0,87
10 1,23
15 1,71
20 2,34
25 3,17
30 4,25
40 7,39
Temperatura Pressão de saturação 
50 12,35
100 101,4
150 476,2
200 1.555
250 3.976
300 8.588
Tabela: Pressão de saturação da água em função da temperatura. 
Çengel; Boles, 2013, p. 116.
Fases de uma substância pura
Imagine um reservatório com água para ser aquecida. Sobre essa água vamos colocar um pistão sem atrito
com as paredes do reservatório, de modo a manter a pressão constanteem 1 atm (101,3 kPa) durante o
aquecimento.
Fases da substância.
Vamos conhecer as fases da substância:
Líquido comprimido
A água encontra-se a 20°C e não há nenhum início de vaporização (estado 1).
Líquido saturado
A água continua a ser aquecida até chegar à temperatura de 100°C (estado 2). Nesse ponto, a água
começa a vaporizar, entretanto, essa vaporização só será iniciada se o calor continuar a ser
adicionado à substância pois, caso contrário, não haverá vaporização.
Misturada saturada
Durante a vaporização, haverá duas fases convivendo dentro do reservatório, a de líquido saturado e
a de vapor saturado (estado 3).
A porcentagem de massa de vapor presente na mistura é conhecida como título (x).
Vapor saturado
Continuando a adicionar calor ao sistema, a quantidade de vapor aumentará enquanto a quantidade
de líquido diminuirá até chegar a uma situação na qual não haverá nenhuma porcentagem de líquido e
a temperatura continuará a mesma (estado 4).
Vapor superaquecido
Se a fonte de calor for interrompida, haverá condensação, ou seja, uma mistura de líquido e vapor.
Mas se continuarmos adicionado calor, o vapor existente será aquecido, saindo do ponto de
saturação (estado 5).
Diagramas de fase
A análise realizada para uma pressão pode ser feita para diversas pressões, veja:
Diagrama temperatura x volume específico para diversas pressões da água.
A imagem indica uma posição conhecida como ponto crítico. Nesse ponto, não há mais a região de mistura
saturada e a substância sai diretamente da condição de líquido para vapor. A pressão é conhecida como 
pressão crítica e a temperatura como temperatura crítica e acima desse ponto temos pressões supercríticas.
Esses diagramas nos fornecem todas as propriedades da substância para determinada posição e podem ser
fornecidos de várias formas.
01 D
447
01 D
46 3Gráfico: Diagrama de fase − .
01 D
443
01 D
46 3Gráfico: Diagrama de fase − .
Em refrigeração, costumamos usar o diagrama pressão por entalpia para demonstrar as propriedades dos
fluidos utilizados.
Gráfico: Diagrama \(P-(h\) para o fluido refrigerante HFC-134a.
Note que nas imagens dos diagramas de fase e , todas as propriedades do fluido são
colocadas no diagrama. Assim, sabendo duas propriedades como a pressão e a temperatura, você é capaz de
encontrar as demais propriedades para esse ponto.
Propriedades da substância pura
As propriedades de interesse da substância pura e que são apresentadas nos diagramas são: pressão,
temperatura, volume específico, energia interna, entalpia e entropia. Todas as propriedades são informadas
por unidade de massa, portanto, são todas específicas.
Outra forma de encontrar essas propriedades é pelas tabelas termodinâmicas existentes nos livros de
termodinâmica.
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Acesse a versão digital para ver mais detalhes da imagem
abaixo.
Tabela: Propriedades do refrigerante HFC-134a.Çengel; Boles, 2013, p. 926,
Tabela A-11.
Hoje em dia, é possível conseguir esses dados por meio de softwares como o CoolPack ou o CATT ou por
aplicativos para smartphones, o que facilita bastante essa atividade.
Interface do programa CATT.
Trabalho e calor
Trabalho, calor e exemplos práticos
Confira no vídeo exemplos práticos de trabalho e calor.
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Trabalho
É a energia resultante da interação entre o sistema e a vizinhança. A letra W é usada para sua designação e o
Joule (J) é sua unidade no sistema SI (assim como toda forma de energia no SI). Em mecânica, é o produto da
força pela distância.
No entanto, a equação apresentada não é capaz de nos ajudar a determinar o trabalho realizado por um fluido
ou sob um fluido. Para esse caso, vamos analisar esta imagem:
Trabalho efetuado pelo movimento de fronteira de um fluido.
Nessa imagem, podemos observar que ao adicionarmos calor na superfície inferior do reservatório, o fluido
dentro do reservatório expande, de modo a elevar o êmbolo em uma altura dL.
Como vimos:
Contudo, podemos observar que essa força aplicada pelo êmbolo pode ser obtida pelo produto da pressão
que o êmbolo exerce sobre o fluido por sua área.
Assim, podemos reescrever a equação como:
Sendo o produto da área pela distância igual ao volume, o trabalho exercido por um fluido no movimento de
fronteira é igual a:
Desde que a pressão seja constante.
Calor
É a transferência de energia devida única e exclusivamente à diferença de temperatura. Ou seja, o calor será
transferido sempre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.
Essa transferência de calor poderá ocorrer por um dos mecanismos existentes, que são a condução, 
convecção e a radiação térmica. Vamos entendê-los.
Condução
Ao colocarmos a extremidade de uma barra de metal em contato com o fogo, após algum tempo percebemos
que a temperatura da barra na outra extremidade também se eleva mesmo esse lado não tendo contato com o
fogo. Isso acontece por causa da maior agitação das moléculas na extremidade mais quente que, pelo atrito,
elevará a temperatura das moléculas adjacentes até a outra extremidade. A equação que descreve esse
fenômeno é a lei de Fourier.
Em que:
 é a condutividade térmica .
 é a área da parede pelo qual o calor flui (m2).
 é a diferença de temperatura pela parede (K).
 é a espessura da parede (m).
Convecção
É a transferência de calor que você sente quando está em um automóvel em movimento e coloca a mão para
fora. Essa transferência ocorre por causa da diferença de temperatura de um corpo e um fluido em
movimento, estando os dois em contato. A equação que descreve esse fenômeno é a lei do resfriamento de
Newton.
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 é o coeficiente de transferência de calor convectivo .
 é a temperatura da superfície.
 é a temperatura do fluido em escoamento (K).
Radiação
É a transferência de calor que sentimos ao ficarmos próximos de uma fogueira, por exemplo. Isso acontece
por causa da radiação eletromagnética, e qualquer corpo com temperatura acima do zero absoluto tem a
capacidade de emiti-la. Uma diferença importante entre a radiação e os outros modos de transferência de
calor é que na radiação não há a necessidade de um meio para sua propagação, aliás, no vácuo ela tem
melhores resultados. A lei que descreve esse fenômeno é a lei de Stefan-Boltzmann.
Em que:
 é a emissividade.
 é a constante de Stefan–Boltzmann .
 é a temperatura da superfície.
 é a temperatura das vizinhanças obrigatoriamente na escala absoluta (K).
Exemplo prático
Um quilograma de água a 20°C está contida em um cilindro com 150 mm de diâmetro no estado 1. Energia é
adicionada até que a temperatura chegue a 180°C no vapor no estado 2. Se o pistão, sem atrito, tem uma
massa de 200 kg, encontre o trabalho feito pelo vapor no pistão.
Trabalho efetuado pelo movimento de fronteira de um fluido.
Solução: primeiro, precisamos encontrar qual a pressão realizada pelo êmbolo sobre o fluido. A aceleração da
gravidade é de 9,8 m/s2:
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O próximo passo é encontrar o volume específico para a condição inicial e final, nas tabelas termodinâmicas.
 
Na condição inicial, a pressão é de 110,92 kPa e a temperatura é de 20°C, o que indica que a água está na
condição de líquido comprimido e seu volume específico de 0,00100 m3/kg. Na condição final, a pressão
permanece a mesma, porém, a temperatura foi para 180°C.
 
Verificando novamente nas tabelas termodinâmicas, concluímos que agora o que temos é vapor
superaquecido com volume específico de 1,87255 m3/kg. Portanto:
Calor específico, energia interna e entalpia
Energia interna, entalpia, calor específico e exemplos práticos
Confira no vídeo os conceitos de energia interna de substâncias específicas.
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Energia interna (U)
É definida como a soma de todas as energias acumuladas pela substância por causa de seus movimentos e
suas forças de interação moleculares. Essa energia está intrinsecamente ligada à temperatura da substância,
uma vez queo grau de agitação das moléculas define a temperatura da substância.
Assim, uma substância com grau de agitação nulo entre suas moléculas estará na temperatura zero absoluto e
terá energia interna igual a zero. A sua unidade no SI é o Joule (J) ou quilojoule (kJ). Entretanto, normalmente
utilizamos a energia interna específica (u) que é a energia interna por unidade de massa (kJ/kg).
Entalpia (H)
É a energia interna da substância mais o trabalho realizado para o escoamento do fluido. Da mesma forma que
a energia interna ou qualquer outra forma de energia, no SI sua unidade será o Joule (J), com seus prefixos, e
poderá ser apresentada por unidade de massa (kJ/kg) como sendo a entalpia específica (h).
Calor específico
É definido como a quantidade de energia necessária para elevar em uma unidade de temperatura, uma massa
unitária de determinada substância. No SI, sua unidade é dada em kJ/kg·K.
Em que:
No sistema SI, é o calor dado em Joule (J) ou quilojoule (kJ)
 é a massa da substância
Essa quantidade de energia pode ser adicionada à substância por dois processos distintos:
A pressão constante
Calor específico a pressão constante - 
A volume constante
Calor específico a volume constante - 
Vejamos uma imagem que apresenta esses processos:
Calores específicos a volume e a pressão constantes \(C_v\) e \(C_p\) para o gás
hélio.
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Sendo um processo de aquecimento de um gás com massa m e variação de temperatura ∆T realizado a
pressão constante (isobárico), o calor adicionado é dado por:
Essa adição de calor é igual a uma variação de entalpia.
Para o mesmo gás com as mesmas condições, porém, em um processo de aquecimento a volume constante
(isocórico), o calor adicionado é dado por:
Essa adição de calor é igual a uma variação de energia interna.
Exemplos práticos
Exemplo 1
Um quilograma de ar a 20°C é aquecido até a temperatura de 100°C. Sabendo que e, 
, determine a quantidade de calor necessário para esse aquecimento se o processo for
isobárico e se o processo for isocórico.
 
Solução: aplicando as equações estudadas, para cada caso, temos que:
 
Para processo isobárico
Para processo isocórico
Note que não foi necessário realizar a conversão de grau Celsius para Kelvin, pois a diferença de temperatura
nas duas unidades é a mesma.
Exemplo 2
Sendo a energia interna e o volume específico da água a 20°C na condição de líquido saturado iguais a 83,94
kJ/kg e 0,001002 m3/kg e sabendo que a pressão de saturação é de 2,339 kPa, determine a entalpia
específica.
Solução: como vimos, a entalpia é definida como:
Portanto, temos que:
Primeira e segunda leis da termodinâmica
Confira no vídeo as duas primeiras leis da termodinâmica e sua importância no estudo da refrigeração e
climatização.
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Primeira lei da termodinâmica
É também conhecida como lei de conservação de energia ou equação da energia. Essa lei permite
entendermos quais as formas de energia envolvidas em um processo e fazermos a “contabilidade” das
energias envolvidas, ou seja, fazermos um balanço de energia do sistema.
Em termos gerais:
Ou de forma mais termodinâmica:
Essa lei pode ser aplicada a um sistema fechado ou a um volume de controle. Um sistema fechado ou
simplesmente sistema, tem massa fixa e definida não podendo haver fluxo de massa através da sua fronteira,
porém, pode variar seu volume ou qualquer outra propriedade devido às interações com o meio.
Exemplo de sistema: gás dentro de um conjunto cilindro-pistão.
Apesar da sua importância para outros sistemas termodinâmicos, vamos destacar a primeira lei da
termodinâmica aplicada ao volume de controle.
Em um volume de controle há um fluxo de massa constante atravessando a superfície de controle.
Exemplo de volume de controle: motor de automóvel.
Na imagem, nosso interesse está no motor de combustão interna, portanto, a fronteira é entre ele e o meio
(superfície de controle). Com isso, podemos observar que durante o funcionamento do motor, há uma
constante entrada de ar e combustível e saída de gases de exaustão. Esse tipo de abordagem é o mesmo
para todos os equipamentos de refrigeração e ar-condicionado, pois o ar-condicionado, durante seu
funcionamento, está constantemente tratando o ar do ambiente.
A primeira lei da termodinâmica para um volume de controle pode ser escrita como:
Em termos matemáticos:
Como em nossos estudos, o regime será considerado permanente (sem influência do tempo):
Reagrupando:
Em que, é a vazão mássica (no SI em kg/s) dada por:
Com massa específica e = área de seção transversal.
Segunda lei da termodinâmica
Essa lei trata da direção dos processos e nos permite determinar qual o máximo desempenho térmico dos
ciclos termodinâmicos para as mais variadas aplicações. Esses processos podem ser reversíveis ou
irreversíveis.
Um exemplo de processo reversível é o de compressão de um gás a uma velocidade muito baixa de modo a
não gerar perturbações no gás que possam elevar sua temperatura e, com isso, trocar calor com o meio.
Chamamos esse exemplo de processo quase-estático.
Enunciados da segunda lei da termodinâmica
Enunciado de Kelvin–Planck (máquinas térmicas)
“É impossível construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico e eu não produza outros efeitos
além do levantamento de um peso e a troca de calor com um único reservatório térmico”.
Enunciado de Kelvin-Planck.
Enunciado de Clausius (refrigeradores)
“É impossível construir um dispositivo que opere, segundo um ciclo, e que não produza outros efeitos, além da
transferência de calor entre um corpo frio para um corpo quente”.
Processos irreversíveis 
Estão ligados aos processos reais que
ocorrem na natureza e às perdas por causa
do atrito, da troca de calor com o meio, entre
outros, ou seja, são as irreversibilidades do
sistema.
Processos reversíveis 
São aqueles que quando executados
podem ser revertidos à sua condição
inicial, sem perdas para o meio. É uma
idealização para facilitar as análises dos
ciclos termodinâmicos ideais.
Enunciado de Clausius.
O primeiro enunciado tem interesse nas máquinas térmicas e para nosso estudo não entraremos em mais
detalhes.
O enunciado de Clausius afirma que é impossível transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente
naturalmente sem a adição de trabalho e isso implica que deveremos gastar energia para podermos realizar
processos de resfriamento e climatização.
Exigência de adição de trabalho para fluir calor da região de baixa temperatura para
a de alta temperatura.
O desempenho de um ciclo de refrigeração é dado pela razão entre a saída de calor da fonte fria e o
trabalho necessário para o seu funcionamento.
Em que, COPR é o coeficiente de desempenho ou de performance do ciclo de refrigeração, ou seja, quanto
menor o custo com trabalho para o funcionamento do ciclo, maior o seu desempenho.
Temos ainda que:
Substituindo na equação anterior:
Se o interesse é no ciclo reverso de refrigeração, chamamos este de bomba de calor e seu desempenho é
calculado como:
Ou, da mesma forma que para o ciclo de refrigeração:
Adiante aprofundaremos o assunto sobre os componentes pertencentes ao ciclo de refrigeração e à aplicação
das equações anteriores.
Verificando o aprendizado
Questão 1
Um refrigerador consome 7 kW de potência pelo compressor enquanto sua potência térmica de resfriamento é
de 20 kW e o calor transferido para o ambiente é de 27 kW. Para essas condições, o coeficiente de
performance deste refrigerador é de
A
0,35.
B
0,25.
C
2,86.
D
3,85.
E
0,74.
A alternativa C está correta.
O coeficiente de performance para o refrigerador (COPR) é definido como a remoção de calor na região de
baixa temperatura pelo trabalho necessário para o funcionamento do ciclo. Assim:
Questão 2
Dois quilogramas de água estão em um reservatório a uma temperatura de 300°C e pressão de 125 kPa.
Assim, é possível afirmar que a água está na condição de (consulte uma tabela termodinâmica ou software
para resolveresta questão)
A
líquido comprimido.
B
líquido saturado.
C
região de mistura saturada.
D
vapor saturado.
E
vapor superaquecido.
A alternativa E está correta.
Consultando uma tabela termodinâmica, de qualquer livro de termodinâmica, é possível verificar que a
temperatura de saturação para a pressão dada é de 120,23°C. Dessa forma, a temperatura em que se
encontra a água dentro do reservatório é maior que a temperatura de saturação, o que indica que todo o
líquido foi vaporizado e aquecido, portanto, na condição de vapor superaquecido.
2. História e desenvolvimento do ar-condicionado
A história do condicionamento de ar e como o ocorreu seu
desenvolvimento
Assista ao vídeo e recorde os marcos históricos que proporcionaram o desenvolvimento da refrigeração e do
ar-condicionado, desde o século XVII até os dias de hoje.
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Histórico da refrigeração
Confira no vídeo um breve histórico da refrigeração e os aspectos mais importantes da evolução dessa
tecnologia.
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A refrigeração como conhecemos hoje em dia só foi possível por causa dos estudos iniciais de Francis Bacon,
em 1626. Ele fez pesquisas com galinhas recém-abatidas e enterradas na neve e descobriu que o frio era um
aliado na conservação dos alimentos.
Mais tarde isso seria mais bem estudado e atualmente sabemos que microrganismos presentes nos alimentos
têm sua agitação desacelerada no frio, o que aumenta o tempo de conservação.
Esse conhecimento fez com que fossem desenvolvidos grandes armazéns de gelo, retirados das geleiras, para
a conservação de alimentos. Era um processo muito complexo e pouco eficiente.
Em 1775, William Cullen conseguiu produzir pela primeira vez gelo de forma artificial, utilizando uma bomba de
vácuo para retirar o vapor de éter presente em um recipiente. Assim, ao diminuir a pressão do reservatório,
diminuía a temperatura do éter e, pela transferência de calor entre a superfície do reservatório e a água
formava-se uma camada de gelo.
Experimento de Willian Cullen para produção de gelo artificial.
O primeiro equipamento patenteado para a produção de gelo foi desenvolvido em 1834, por Jacob Perkins. O
refrigerador doméstico como conhecemos nos dias de hoje só apareceu no início da década de 1920. Ele tinha
um peso líquido de 170 kg e foi vendido por 468 dólares, segundo a American Society of Heating,
Refrigeration and Air Conditioning (ASHRAE, 2012).
Naquela época, Thomas Midgley, pesquisador da Frigidaire (fabricante dos primeiros refrigeradores),
desenvolveu vários refrigerantes sintéticos, chamados clorofluorcarbonos ou CFCs, e a mais conhecida
dessas substâncias foi patenteada sob a marca Freon.
Somente a partir do início do século XX, a climatização se tornou possível nos moldes de hoje.
Em 1987, o Protocolo de Montreal proibiu o uso e desenvolvimento dos CFCs, pois foi comprovado que eles
afetam a camada de ozônio, contribuindo para o aquecimento global.
Os fluidos refrigerantes conhecidos como HCFC (hidroclorofluorcarbono), criados no início da década de
1980, são utilizados no lugar dos CFCs por terem menor poder de destruição da camada de ozônio e baixo
poder de aquecimento global. Com o Protocolo de Kyoto, esse fluido refrigerante tem uso restrito até 2030.
Outro fluido refrigerante criado para substituir os CFCs
foram os HFC (hidrofluorcarbono), porém, estudos
comprovaram que esse fluido afeta também o aquecimento
global e pelo Protocolo de Kyoto ficou definido que seu uso
deve ser controlado.
Para substituir os HFCs foram criados novos fluidos
refrigerantes chamados de HFO (hidrofluorlefina) que não
agridem a camada de ozônio e não influenciam o
aquecimento global.
História do ar-condicionado
Assista ao vídeo e faça uma visita ao passado, para entender como surgiu o ar-condicionado e quem foram os
principais personagens dessa história.
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Em 1902, o então jovem engenheiro Willis Carrier foi chamado para resolver um problema de umidade que
borrava os papéis e fazia com que houvesse muitas perdas em uma indústria gráfica em Nova York. Surgia,
naquele momento, o primeiro equipamento de ar-condicionado.
Primeiro equipamento de ar-condicionado.
Em 1909, foi instalado no Brasil o primeiro sistema de ar-condicionado, no Teatro Municipal do Rio de Janeiro.
Em 1911, Carrier desenvolveu a fórmula psicrométrica racional, trabalho que trouxe a base de cálculos para
projetos de ar-condicionado.
Curiosidade
A primeira aplicação residencial do ar-condicionado foi em uma mansão de Mineápolis, em 1914. 
Em 1931, foi criado o ar-condicionado de janela pelos inventores H. H. Schultz e J. Q. Sherman. Entretanto, o
produto era muito caro e as vendas não foram boas.
Em 1947, o engenheiro Henry Galson desenvolveu um ar-condicionado compacto de baixo custo. Naquele ano,
43 mil unidades desse equipamento foram vendidas nos Estados Unidos.
Em 1961, foi instalado o maior sistema de ar-condicionado no Brasil, com 2.400 TRs com unidades resfriadoras
de água gelada, equipadas com compressores centrífugos.
Em 1982, a Daikin desenvolveu a vazão de refrigerante variável (VRV), sendo o primeiro sistema de ar-
condicionado multisplit do mundo para edifícios comerciais (DAIKIN).
Em 1981, a Toshiba lançou um equipamento de ar-condicionado residencial, utilizando a tecnologia inverter.
Essa tecnologia, atualmente presente em quase todos novos aparelhos, reduz o consumo de energia devido
ao uso mais racional do compressor, evitando picos de energia por carga de partida do compressor. Nesse
sistema, o compressor não desliga quando atinge a temperatura desejada, mas sim, permanece em carga
parcial, o que reduz o consumo.
Comparativo entre tecnologia inverter e convencional.
Tendências no uso do ar-condicionado
Atualmente, o grande desafio dos fabricantes de ar-condicionado está relacionado com equipamentos mais
eficazes, utilizando fluidos refrigerantes que não agridam a camada de ozônio. O conceito de eficiência
energética e suas estratégias para obter o melhor valor é o que move os grandes avanços do setor.
O condicionamento de ar é imprescindível para o conforto térmico em edifícios comerciais e o uso de sistemas
de ar-condicionado mais eficientes é fundamental para que essas imóveis consigam suas certificações de
eficiência energética, tais como a certificação PBE-Edifica. Essa certificação é um programa de etiquetagem
do Inmetro por meio do Procel, que classifica as edificações de A (mais eficiente) até E (menos eficiente).
Verificando o aprendizado
Questão 1
A refrigeração na conservação de alimentos tem um papel fundamental para o nosso estilo de vida,
atualmente. Após os estudos realizados por Francis Bacon, conhecemos melhor o mecanismo de degradação
dos alimentos e sabemos que o frio age nos alimentos da seguinte forma:
A
A refrigeração acelera a agitação dos microrganismos presentes nos alimentos, retardando o processo de
apodrecimento.
B
A refrigeração elimina os microrganismos presentes nos alimentos, tornando-os mais resistentes ao tempo.
C
A refrigeração forma uma camada de proteção, evitando que microrganismos ataquem o alimento e o tornem
impróprio para consumo.
D
A refrigeração retarda o processo de apodrecimento causado pelas enzimas presentes nos alimentos.
E
A refrigeração aumenta a resistência dos alimentos a vírus e bactérias.
A alternativa D está correta.
A refrigeração não é capaz de eliminar os microrganismos presentes nos alimentos, entretanto, ela é capaz
de diminuir a agitação das enzimas e dos microrganismos, o que faz com que o tempo de armazenamento
aumente.
Questão 2
Desde a descoberta dos danos causados pelos fluidos refrigerantes na camada de ozônio houve grandes
esforços para a elaboração de fluidos que mantivessem a capacidade de refrigeração dos equipamentos tanto
de refrigeração quanto de ar-condicionado. Atualmente, há uma família de fluidos refrigerantesque não
contém cloro em sua composição, diminuindo os riscos de aquecimento global. Esse fluido é o
A
CFC.
B
HFO.
C
HCFC.
D
HCFO.
E
HCF.
A alternativa B está correta.
O fluido refrigerante HFO (hidrofluorlefina) é um fluido livre de cloro em sua composição, sendo um fluido
livre de efeitos para o aquecimento global.
3. O ar-condicionado e a refrigeração industrial
Definições e aplicações do ar-condicionado e da
refrigeração industrial
Assista ao vídeo e conheça as definições estabelecidas pela ABNT para instalações de ar-condicionado e
refrigeração industrial.
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Definições
Condicionamento de ar, sistemas de ar-condicionado e unidade de
tratamento de ar
Confira no vídeo como funciona o ar-condicionado, quais são os sistemas existentes e para que serve a
unidade de tratamento de ar.
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É importante você conhecer os termos e as definições estabelecidas pela ABNT NBR 16401-1: 2008, em seu
item 3, para as instalações de ar-condicionado. Vamos lá!
Condicionamento de ar (sistema de ar-condicionado)
“Processo que objetiva controlar simultaneamente a temperatura, a umidade, a movimentação, a renovação e
a qualidade de ar de um ambiente. Em certas aplicações controla também o nível de pressão interna do
ambiente em relação aos ambientes vizinhos” (ABNT, 2008).
Por essa definição, observamos que um projeto de ar-condicionado deve levar em consideração outros
aspectos além de somente resfriar ou aquecer um ambiente.
Esses aspectos devem ser observados com muito cuidado durante um projeto de climatização, a fim de evitar
problemas de saúde aos ocupantes de um ambiente ou evitar problemas com equipamentos eletrônicos.
Sistema de ar-condicionado com central de água gelada
“Sistema central em que uma ou mais unidades de tratamento de ar, cada uma operada e controlada
independentemente das demais, são supridas com água gelada (ou outro fluido térmico) produzidas numa
central frigorífera constituída por um ou mais grupos resfriadores de água e distribuída por bombas, em
circuito fechado” (ABNT, 2008).
Nesse sistema, dependendo das características do resfriador de água, podemos ou não ter uma torre de
resfriamento. Os resfriadores de líquido são conhecidos como chiller e existem dois tipos de equipamentos.
Confira!
Chiller com condensação a água
É aquele que necessita de uma torre de resfriamento, ou seja, o fluido refrigerante é condensado por meio da
troca de calor com água fria.
Sistema central de água gelada com torre de resfriamento: chiller com condensação
a água.
Chiller com condensação a ar
É o que não possui uma torre de resfriamento, ou seja, o fluido refrigerante é condensado por meio da troca
de calor com o ar.
Sistema central de água gelada sem torre de resfriamento: chiller com condensação
a ar.
Sistema de ar-condicionado com central multisplit VRV (vazão de
refrigerante variável)
“Sistema central em que um conjunto de unidades de tratamento de ar de expansão direta, geralmente
instaladas dentro do ambiente a que servem – designadas unidades internas –, cada uma operada e
controlada independente das demais é suprido em fluido refrigerante líquido em vazão variável por uma 
unidade condensadora central instalada externamente – designada unidade externa” (ABNT, 2008).
Esse sistema é o que atualmente tem tido a maior utilização em novos projetos de média carga por causa da
sua boa relação custo-benefício. Nele, é possível atender as demandas de maior ou menor resfriamento ou
aquecimento de ambientes individualmente, ao variar a vazão do fluido refrigerante.
Aqui cabe apresentar dois termos importantes:
Sistema de ar-condicionado unitário
“Sistema constituído por um ou mais condicionadores autônomos de qualquer tipo e capacidade, servindo a
um recinto isolado ou a um grupo de recintos, constituindo uma fração autônoma da edificação” (ABNT,
2008).
Exemplo de sistema unitário: Esplitão.
Unidade de tratamento de ar
“Unidade montada em fábrica, em gabinete ou composta no local em arcabouço de alvenaria, comportando
todos ou parte dos elementos necessários à realização do processo de condicionamento do ar, ou seja,
ventiladores, filtros de ar, serpentinas de resfriamento e desumidificação de expansão direta ou de água
gelada, e dispositivos de aquecimento e umidificação que podem ser supridos por fonte de calor proveniente
de uma central calorífera ou gerada localmente” (ABNT, 2008).
São conhecidos no mercado como unidade de tratamento de ar (UTA) e podem ser fornecidos em diversos
tamanhos, dependendo da aplicação.
Expansão direta 
Quando o resfriamento do ar é realizado
diretamente através do contato do ar com a
serpentina na qual está circulando um fluido
refrigerante. Exemplo: Ar-condicionado de
janela.
Expansão indireta 
Quando o resfriamento do ar é realizado
por um sistema secundário no qual
passa pela serpentina normalmente
água gelada que é resfriado pelo um
fluido refrigerante do chiller. Exemplo:
Sistema com central de água gelada.
Esquema de uma unidade de tratamento de ar.
Aplicações do ar-condicionado
Confira no vídeo os diferentes tipos de ar-condicionado: residencial, veicular, para datacenter, para sala limpa
e para edifícios comerciais.
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Desde sua criação até os dias atuais, o ar-condicionado vem ganhando muitas aplicações no mercado. No
início, esse tipo de equipamento tinha sua utilização quase exclusivamente para aplicações industriais e de
grandes espaços, mas com o desenvolvimento de componentes menores e mais eficientes, foi possível
atender a aplicações residenciais e outras de menor porte. Hoje em dia, é um equipamento muito importante
para o bem-estar das pessoas em ambientes tropicais como o nosso.
Confira algumas aplicações com suas características básicas.
Ar-condicionado residencial
Essa é a aplicação que mais cresceu desde a criação do primeiro equipamento por Willis Carrier e em algumas
regiões do Brasil é quase item obrigatório em residências.
São equipamentos de baixa capacidade, que podem ser
instalados na parede ou em uma abertura parede. Existem
ainda os equipamentos portáteis de climatização. Além da
baixa capacidade térmica, outra característica é o fato de
não haver um controle efetivo da distribuição e da
temperatura do ar, ficando esta escolha a critério do
usuário.
Ar-condicionado veicular
Você é capaz de se imaginar dentro de um veículo parado
no trânsito de uma grande cidade em um dia de verão sem ar-condicionado? A aplicação de condicionado
veicular é atualmente item obrigatório nos veículos.
Além de trazer conforto térmico para os
ocupantes do veículo, é também um elemento
que melhora o rendimento do motorista e hoje
em dia está presente em todos os caminhões e
em quase a totalidade dos tratores
colheitadeiras. As características de controle e
distribuição do ar são similares à aplicação
residencial.
Ar-condicionado para datacenter
É uma aplicação recente em relação às demais
aplicações do ar-condicionado. Em um datacenter, o funcionamento das máquinas gera calor, o que aumenta
a temperatura do ambiente e pode causar diversos danos tanto aos equipamentos (queima ou desligamento
repentino) quanto ao processamento dos dados, pois a elevação da temperatura provoca uma diminuição da
velocidade de processamento, portanto, prejuízo.
Assim, é necessário um sistema de ar-condicionado que
mantenha o ambiente dentro de condições de temperatura
e umidade conforme recomendados por normas
específicas. Os equipamentos utilizados nessa aplicação
são conhecidos como sistemas de ar-condicionado de
precisão.
Ar-condicionado para sala limpa
Em ambientes de laboratório, onde não é permitida a
presença de bactérias ou outro agente químico
ou biológico, por risco de contaminação, é
necessário ter um sistema de ar-condicionado
que controle a filtragem do ar, a temperatura e
a umidade com mais rigor. Esse mesmo tipode
sistema é utilizado em locais de montagem de
circuitos eletrônicos.
Ar-condicionado para edifícios
comerciais
Essa é uma aplicação e conforto que tem como
finalidade manter o ambiente de trabalho
saudável, evitando problemas respiratórios por
falta de recirculação do ar e umidade fora de
faixa adequada. Ainda, um ambiente com
condições de conforto térmico aceitáveis é um
ambiente mais produtivo.
Aplicações da
refrigeração industrial
Assista ao vídeo e compreenda as características e as principais aplicações da refrigeração industrial.
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As aplicações da refrigeração industrial estão, na maioria, voltadas para a conservação de alimentos, bebidas
e produtos farmacêuticos ou químicos, seja em seu armazenamento ou sua distribuição.
Exemplo
Na conservação de alimentos, podemos encontrar a refrigeração presente nos supermercados nas
gôndolas refrigeradas para verduras, carnes e laticínios bem como nos caminhões com baú refrigerado.
Em cada caso, a temperatura de conservação é diferente, o que nos indica que as estratégias para
conseguir essas temperaturas também são diferentes. 
Segundo Stoecker e Jones (1985, p. 7), o ciclo de um alimento congelado consiste das etapas de
congelamento, comercialização e armazenamento doméstico, ou seja, a refrigeração é parte fundamental para
esse mercado.
Na produção de bebidas, como a cerveja, a refrigeração tem papel fundamental na fermentação, pois a bebida
deve estar em uma temperatura controlada (entre 8 e 12°C) para se obter a qualidade desejada.
Outras aplicações especiais importantes na refrigeração industrial são a produção de gelo, uso em
bebedouros, pistas de patinação e remoção de sal da água do mar.
Verificando o aprendizado
Questão 1
Pensando em um equipamento de ar-condicionado residencial tipo split ou ar-condicionado de janela e
observando o conceito dado pela NBR 16401-1: 2008, é possível afirmar que
A
esses equipamentos não podem ser considerados sistemas de ar-condicionado, pois não atendem as
características necessárias para tal.
B
esses equipamentos podem ser enquadrados na definição da norma, pois atendem todos os requisitos para
serem considerados um sistema de ar-condicionado.
C
esses equipamentos atendem parcialmente os requisitos, e podem ser considerados um sistema de ar-
condicionado.
D
esses equipamentos atendem parcialmente os requisitos da norma, e por isso, não podem ser enquadrados
como sistema de ar-condicionado.
E
esses equipamentos apenas não se enquadram nos requisitos da norma em relação à renovação do ar,
portanto, são considerados como um sistema de ar-condicionado.
A alternativa A está correta.
Apesar de esses equipamentos resfriarem (e aquecerem, em alguns casos), eles não conseguem realizar a
renovação do ar do ambiente, nem mesmo renovar o ar ou controlar sua umidade. São, em geral,
equipamentos fabricados para atenderem espaços residenciais em que os critérios da norma, normalmente,
não são necessários.
Questão 2
O uso cada vez maior da tecnologia tem levado as empresas a construírem instalações cada vez maiores e
mais eficientes para o processamento dos dados. Uma pequena falha nesse processamento pode gerar
prejuízos gigantescos para as empresas e, por isso, o uso de um sistema de ar-condicionado é justificado pois
A
resfriando os equipamentos, a velocidade de processamento é melhorada e se diminui o risco de queima de
equipamento.
B
resfriando os equipamentos, a velocidade de processamento é melhorada, entretanto, há um risco acentuado
de queima de equipamentos, por causa da baixa temperatura.
C
o ar-condicionado serve como um bom condutor de dados de informação.
D
o uso de sistema de ar-condicionado em datacenter é opcional, pois não existem evidências de melhora ou
piora da eficiência dessas instalações.
E
o uso de sistemas de ar-condicionado é importante em datacenter, porém, seu uso não tem relação com a
segurança dos equipamentos e processamento de dados.
A alternativa A está correta.
A redução de temperatura em instalações de datacenter, reduz o risco de queima dos equipamentos por
superaquecimento (caso não houvesse ar-condicionado, a temperatura do ambiente poderia chegar
facilmente aos 50°C, por causa dos equipamentos). Ainda, o processamento dos dados tem relação direta
com a temperatura, pois, em temperaturas menores (entre 22°C e 25°C), o processamento é mais rápido
que em altas temperaturas, visto o equipamento trabalha em sua eficiência ótima.
4. Cartas psicrométricas
Psicrometria em cartas psicrométricas de forma gráfica e
por software
Assista ao vídeo e saiba o que é psicrometria e quais são as propriedades psicrométricas. Além disso, fique
por dentro dos diagramas e processos psicrométricos.
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Considerações sobre psicrometria
Ar atmosférico, mistura de gases e exemplo prático
Confira no vídeo os conceitos mais relevantes sobre ar atmosférico e mistura de gases, além de um exemplo
prático para consolidar o aprendizado das propriedades psicrométricas.
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Psicrometria é uma ciência que tem por objetivo o estudo das mudanças das propriedades do ar atmosférico e
do processo na mudança de temperatura e do conteúdo de vapor de água presente nesse ar.
Antes de conhecermos o uso de carta psicrométrica ou qualquer software para os cálculos das propriedades
do ar, entenderemos a composição do ar atmosférico, suas características mais importantes e quais são as
propriedades psicrométricas.
Ar atmosférico
O ar atmosférico ao nível da troposfera, é considerado uma mistura de gases com maior porção presente no
nitrogênio e no oxigênio. Para essa mistura de gases, chamamos de ar seco.
Gás Volume [%] Massa molecular [kg/kmol]
Nitrogênio 78,08 28,013
Oxigênio 20,95 31,998
Argônio 0,93 39,943
Dióxido de carbono 0,03 20,183
Outros gases 0,01 --
Tabela: Composição dos gases do ar seco. 
Fábio Tofoli.
No ar que respiramos existe a presença de certa quantidade de umidade devido ao vapor de água. A essa
mistura de ar seco e vapor de água chamamos de ar atmosférico.
Apesar dessa quantidade de vapor ser extremamente pequena em relação à quantidade de ar seco, ela é
fundamental para nossa saúde:
Em baixos níveis de umidade há falta de lubrificação das vias respiratórias, o que pode acarretar
sangramento.
Em excesso de umidade pode causar problemas com o bolor.
Nas aplicações de ar-condicionado, a faixa de temperatura de trabalho está entre -10°C e 50°C (pensando
nos extremos de aplicação). Para essa faixa de aplicação, tanto o ar seco quanto o vapor de água podem ser
formulados como gases ideais.
Assim, vale a equação para os dois gases:
Em que:
 é a pressão atmosférica local.
 é o volume do gás.
 é a massa do gás.
 é a constante do gás.
 é a temperatura absoluta do gás.
A equação ainda pode ser apresentada das seguintes formas:
Em que é a massa específica e é o volume específico do gás.
Tabela: Propriedade do ar seco e do vapor de água como gases ideais. Borgnakke;
Sonntag, 2018, p. 664.
Em que é a massa específica e é o volume específico do gás.
Mistura de gases
A lei de Dalton diz que a pressão total de uma mistura de gases é a soma das pressões parciais de cada um
dos componentes. A pressão parcial é a pressão que cada componente exerceria se, à mesma temperatura,
ocupasse sozinho todo o volume da mistura.
Para mistura de ar seco e vapor de água temos que:
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Ou seja, a pressão total em uma localidade (pressão atmosférica local) é igual à soma da pressão parcial do ar
seco e da pressão parcial de vapor para as condições do ambiente em estudo.
Exemplo prático
No nível do mar, a uma temperatura de 25°C e sabendo que a umidade do ar se encontra a 50% da sua
saturação, determine quais são as pressões parciais de vapor de água e de ar seco. Ainda, supondo que um
ambiente tenha 10 m de comprimento, 5 m de largurae 4 m de altura, determine a massa de ar seco e a
massa de vapor de água neste ambiente, além da relação entre a massa de vapor e a massa de ar seco.
 
Consultando uma tabela termodinâmica para água saturada e verificando a pressão de saturação:
Como a pressão parcial de vapor é 50% da pressão de saturação,
A pressão atmosférica no nível do mar é de 101,325 kPa.
 
Portanto:
Observe que caso aumente ou diminua a porcentagem da pressão parcial de vapor em relação à pressão de
saturação, a pressão parcial de ar seco também será modificada, porém, a pressão atmosférica será a mesma.
 
Sendo tanto o vapor de água quanto o ar seco gases perfeitos, temos que:
Na tabela de propriedade do ar seco e do vapor de água como gases ideais encontramos os valores das
constantes tanto para o ar seco quanto o vapor de água:
 
Rvapor de água = 0,4615 kJ/kg K
Rar seco = 0,287 kJ/kg K
 
O volume do ambiente, que será o mesmo ocupado pelo ar e pelo vapor de água, é:
Pela definição de que a temperatura é a mesma para os dois gases temos:
 
Para a massa de ar seco:
Para a massa de vapor:
A relação entre as massas é de:
 E 
 
Fica evidente que a parcela de ar seco é muito maior que a de vapor de água, porém, como dito, apesar de
pequena, ela é muito importante para nós.
Propriedades psicrométricas
Confira no vídeo as definições de umidade absoluta e relativa do ar, entalpia, volume específico e as
temperaturas de bulbo seco, de ponto de orvalho, de saturação adiabática e de bulbo úmido.
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Apesar de você, em sua vida profissional, ter acesso a carta psicrométrica, softwares e aplicativos de celular
que calculam essas propriedades, é importante entender como elas são encontradas algebricamente e o seu
significado. Assim, fará mais sentido e você poderá questionar os valores apresentados.
Umidade absoluta 
É a massa de vapor de água por massa unitária do ar seco, também conhecida como umidade específica. No
exemplo anterior, foi a relação entre massas que encontramos.
Como tanto o vapor quanto o ar seco são considerados gases ideais, rearranjando a equação para as massas
de vapor e ar seco:
Por definição, a temperatura e o volume são iguais para as duas parcelas:
Inserindo o valor das constantes do ar seco e do vapor de água na equação:
 
Temos que:
Aplicando a lei de Dalton na pressão parcial de ar seco, a equação fica:
Umidade relativa ( ou UR)
É o índice de massa de vapor de água no ar pela massa de vapor de água necessária para que o ar esteja
totalmente saturado na mesma temperatura.
Rearranjando para as massas de vapor e massa de vapor saturado :
Na análise, temos a mesma temperatura, para o mesmo volume e o gás é o mesmo, portanto, a constante é a
mesma, podemos simplificar a equação:
O que nos indica a umidade relativa é o quão perto ou longe a pressão parcial do vapor está de sua pressão
de saturação para a temperatura conhecida. Se a pressão parcial do vapor é igual a pressão de saturação,
dizemos que o ar é ar saturado e a umidade relativa é de 100%.
Vejamos a condição da umidade do ar em relação à pressão para uma mesma temperatura:
Veja o gráfico de aumento da pressão parcial até a saturação:
Gráfico: Aumento da pressão parcial de vapor \(\left(p_v\right)\) até a saturação \
(\left(p_s\right)\).
Relacionando as equações de umidade absoluta e umidade relativa:
Entalpia da mistura (h)
É a soma das entalpias de cada componente (ar seco e vapor de água) na condição na qual cada componente
se encontra na mistura.
Dividindo os termos pela massa de ar, temos que:
Sendo:
Volume específico 
Definido como o volume da mistura (m3) por unidade de massa de ar seco. Como os volumes ocupados pelos
componentes da mistura são iguais, pode ser definido também como sendo o volume de ar seco por unidade
de massa de ar seco.
Temperatura de bulbo seco (Tbu)
É a temperatura do ar medida com um termômetro comum.
Temperatura de ponto de orvalho (Tpo)
Temperatura na qual o vapor de água presente no ar atmosférico quando resfriado em processo à pressão
constante começa a condensar.
Gráfico: Resfriamento à pressão constante do ar chegando até a temperatura de
ponto de orvalho.
Temperatura de saturação adiabática
Condição de equilíbrio termodinâmico por meio do processo de saturação adiabática. Por isso, é uma
propriedade termodinâmica do ar.
Imagine um aparato perfeitamente isolado por onde o ar entra na condição inicial de temperatura, umidade
relativa e umidade absoluta. Esse ar flui pelo aparato e, por não estar saturado, tem condições de absorver
vapor de água proveniente do reservatório, veja:
Aparato para medição da temperatura de saturação adiabática.
O reservatório é mantido sempre com a mesma massa de água por meio de uma entrada de água e o aparato
tem comprimento suficiente para que o ar saia saturado. Como a temperatura da água é menor que a
temperatura do ar, uma parcela do calor latente de vaporização da água para que ela evapore vem do ar.
Assim, a temperatura do ar na saída será menor que na entrada. Essa temperatura leva o nome de 
temperatura de saturação adiabática.
Aplicando um balanço de energia no volume de controle:
Legenda
Dividindo os termos pela vazão mássica de ar e reagrupando para a umidade absoluta na entrada:
Sendo que:
Em que:
 é a entalpia de líquido vapor na saída.
 é a entalpia de vapor saturado na entrada.
 é a entalpia de líquido saturado na saída.
• 
• 
• 
Gráfico: Processo de saturação adiabática: não é o mesmo valor da temperatura de
ponto de orvalho.
Temperatura de bulbo úmido (Tbu)
O aparato mostrado antes é inviável para uso prático, por isso, precisamos de um novo aparelho para tentar
encontrar a temperatura de saturação adiabática. Assim, foi elaborado o psicrômetro, por onde é possível
verificar ao mesmo tempo a temperatura de bulbo seco e uma nova temperatura, conhecida como
temperatura de bulbo úmido.
Para isso, usamos um termômetro comum embebido em uma mecha com água. Ao girarmos o equipamento, o
ar passa rapidamente pela mecha, absorvendo umidade sem trocar calor com o meio, a sua temperatura cai e
é verificada no termômetro.
Psicrômetro.
Carta psicrométrica - forma gráfica e por software
Obtenção das propriedades psicrométricas por diagrama e por software
Confira no vídeo os meios para obter as propriedades psicrométricas a partir da pressão atmosférica.
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Como você observou, para cada pressão atmosférica vão existir diversos valores de propriedades
psicrométricas e o cálculo de cada propriedade depende de algumas informações adicionais, portanto, para
um projeto de ar-condicionado seria inviável calcular todos estes valores a cada processo executado com o ar.
Para isso, foi elaborado um diagrama com o objetivo de simplificar o processo e tornar mais rápida a aquisição
das propriedades.
O diagrama é a carta psicrométrica que permite encontrar todas as outras propriedades do ar para a
condição, sabendo-se inicialmente a pressão do local e duas outras propriedades.
Além disso, a carta psicrométrica permite obter o traçado dos diversos processos psicrométricos e facilita sua
análise.
Esquema de carta psicrométrica.
Na próxima imagem, após a tabela, é apresentado um esquema da carta psicrométrica indicando as suas
propriedades. A seguir, você vai encontrar uma carta psicrométrica completa com todas as informações.
Na carta elaborada pela ASHRAE, você pode notar duas informações importantes:
A indicação da pressão atmosférica local, ou seja, os valores encontrados na carta são para a pressão
atmosférica de 101,325 kPa.
A indicação do número do gráfico (n° 1). A ASHRAE tem sete cartas e cada uma delas é para uma
pressão e variação de temperatura de bulbo seco diferente, cobrindo uma ampla faixa de utilização.
CARTA ALTITUDE [m] PRESSÃO [kPa] FAIXA DE TEMPERATURA
1 0 101,325 0°C a 50°C
2 0 101,325 -40°C a 10°C
3 0 101,325 10°C a 120°C
4 0 101,325100°C a 200°C
5 750 92,66 0°C a 50°C
6 1500 84,54 0°C a 50°C
7 2250 77,04 0°C a 50°C
Tabela: Cartas psicrométricas ASHRAE. 
Fábio Tofoli.
Outras cartas podem ser facilmente encontradas emitidas por universidades ou empresas da área de ar-
condicionado e refrigeração.
• 
• 
Carta psicrométrica.
Exemplo
Considere uma sala que contenha ar a 1 atm, esteja a 35°C e tenha 40% de umidade relativa. Para essa
condição, determine:
Umidade absoluta
Entalpia
Temperatura de bulbo úmido
Volume específico do ar
Solução
Para resolver a questão, vamos utilizar a carta ao nível do mar. Cruzando a informação de Tbs e UR,
encontraremos as propriedades solicitadas.
Valores das propriedades para as condições iniciais.
Note que nessa carta, a umidade absoluta está declarada como . Isso é necessário para evitar
números muito baixos no diagrama.
Com relação ao volume específico, ele é encontrado realizando uma regra de 3 no intervalo entre os volumes
específicos 0,85 e 0,90 m3/kgar seco.
• 
• 
• 
• 
O uso da carta psicrométrica aumenta a rapidez de resposta com relação às propriedades a serem
encontradas, pois, caso ela não estivesse disponível, seria necessário realizar todos os cálculos
mencionados para encontrar as mesmas propriedades, o que tornaria os projetos mais demorados.
Por meio dos cálculos, os valores são mais precisos, porém, nos projetos de ar-condicionado, esse pequeno
erro de medição é facilmente corrigido com os fatores de segurança empregados.
Outra forma de obter essas propriedades (até com mais precisão) é por meio do uso de aplicativos para
smartphones ou softwares, que podem ser adquiridos gratuitamente em plataformas de busca ou com alguma
empresa ou instituição de ensino.
Um exemplo é o aplicativo PsychroApp, que você pode baixar gratuitamente. Nele, você pode configurar as
informações de entrada (input) que deseja utilizar, como temperatura de bulbo seco (°C db) e umidade relativa
(%RH) e informações de saída (output), por exemplo, temperatura de bulbo úmido (° wb), temperatura de
ponto de orvalho (°C dp), umidade absoluta (g/kg), entalpia (kJ/kg).
Configuração das propriedades de entrada e saída.
Vamos inserir os mesmos dados de entrada do problema anterior e verificar os dados de saída:
Entrada dos dados conhecidos.
Saída de dados pelo aplicativo.
Podemos observar que os resultados são os mesmos que encontramos utilizando a carta psicrométrica.
Processos psicrométricos
Processos para alteração das propriedades do ar
Confira no vídeo quais são os processos de resfriamento e aquecimento sensível, resfriamento com
desumidificação, evaporativo e como ocorre a mistura de duas correntes de ar.
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Em ar-condicionado, estamos interessados em alterar as propriedades do ar para atender as características
de conforto ou processo do ambiente a ser climatizado. Confira os processos possíveis de serem realizados.
Processos psicrométricos.
Sendo:
O – A: umidificação simples
O – B: aquecimento e umidificação
O – C: aquecimento sensível
O – D: desumidificação química
O – E: desumidificação simples
O – F: resfriamento com desumidificação
O – G: resfriamento sensível
O – H: Resfriamento evaporativo
Resfriamento e aquecimento sensível
Refere-se à taxa de transferência de calor que provoca somente uma variação da temperatura de bulbo seco.
Aquecimento e resfriamento sensível.
Nesse processo, o fluxo de ar atravessa a serpentina de aquecimento ou resfriamento e troca somente calor
sensível, ou seja, não há condensação (no caso de resfriamento) do vapor de água presente no ar. Note que a
umidade absoluta entre entrada e saída é a mesma.
Aplicando a segunda lei da termodinâmica entre a entrada (1) e a saída (2) da instalação temos:
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
As parcelas de energia cinética e potencial podem ser desprezadas, não há trabalho sendo executado pelo
volume de controle analisado das vazões de entrada e pela conservação de massa, as vazões de entrada são
iguais as da saída, portanto:
O que nos mostra que a quantidade de calor adicionado ou retirado pelo equipamento para aquecer ou resfriar
o ar é igual a diferença de entalpia do ar entre estes pontos vezes a vazão mássica de ar.
Resfriamento com desumidificação
Neste processo, há uma redução da temperatura de bulbo seco e da umidade absoluta, portanto, uma
condensação de parte do vapor de água presente no ar. O equipamento que realiza esse processo é a
serpentina de resfriamento e desumidificação
Aquecimento e resfriamento sensível.
Note que nesse caso, na passagem do fluxo de ar pela serpentina, além de haver uma redução da
temperatura (caminhando em Tbs da direita para a esquerda), há também uma diferença de umidade
absoluta, na qual , o que indica haver perda de parcela do vapor que ingressou no volume de
controle.
Isso ocorre, pois o ar, ao entrar em contato com a serpentina fria, cede calor a ela até atingir sua temperatura
de ponto de orvalho, quando inicia a condensação.
Se o ar atravessar uma serpentina grande o suficiente, a sua UR = 100%, porém, o que ocorre é uma saída
com valor de umidade abaixo da saturação.
Pela equação da continuidade, temos que:
Igualando para vazão de água:
Como a vazão de ar na entrada é igual a saída:
Que é a equação para sabermos a quantidade de condensado que sai do processo.
Para sabermos qual o fluxo de calor retirado no processo, vamos efetuar um balanço de energia no volume de
controle. Utilizando as mesmas simplificações que no processo anterior, temos:
Dividindo os termos pelo fluxo de ar, temos que:
Em que é a entalpia de líquido saturado na temperatura de condensação, ou seja, na temperatura de
saída do ar.
Resfriamento evaporativo
O ar muito quente e com baixa umidade relativa precisa ser resfriado enquanto há um aumento de conteúdo
de vapor. Nesse caso, adiciona-se a umidade enquanto o ar se move do estado 1 para o estado 2. Como não
há transferência de calor para o meio, .
Resfriamento evaporativo.
Mistura de duas correntes de ar
Neste processo, tem-se dois fluxos de ar vindos de dutos separados, que serão unidos em determinado
ponto.
Mistura de duas correntes de ar.
Pela equação da continuidade temos que para o ar seco:
Realizando o mesmo para o vapor de água:
Ainda, pelo balanço de energia:
Combinando as três equações e desconsiderando a vazão mássica na saída, temos:
Verificando o aprendizado
Questão 1
1. Uma instalação de ar-condicionado provida com uma caixa de mistura, recebe duas correntes de ar, sendo
uma a 25°C e 50% de UR (fluxo de ar 1) com uma vazão de 3 kg/s e a outra a 32°C e 60% de UR (fluxo de ar 2)
com uma vazão de 1 kg/s. Utilizando uma carta psicrométrica para o nível do mar e as equações adequadas, a
temperatura do ar, após a mistura, será de aproximadamente
A
30°C.
B
28,5°C.
C
27,5°C.
D
26,5°C.
E
25,5°C.
A alternativa D está correta.
Plotando os dados iniciais na carta psicrométrica, encontramos as seguintes entalpias para os dois fluxos
de ar.
Aplicando a equação para mistura de ar:
Reagrupando para a entalpia de saída (h3):
Portanto:
Inserindo na equação as informações conhecidas:
Com esse valor encontrado, voltamos à carta psicrométrica e traçamos uma isoentálpica até a linha de
mistura das duas massas de ar. Esse ponto é a condição de mistura, ou seja, nesse ponto, temos todas as
informações da mistura para as condições de entrada dadas.
Assim, pelo ponto de mistura, traçamos uma linha vertical até encontrar a linha de Tbs e temos que a
temperatura da mistura será de 26,7°C.
Plotando os dados iniciais na carta psicrométrica, encontramos as seguintes entalpias para os dois fluxos
de ar.
Em vez das entalpias, poderíamos usar as umidades absolutas, pois, como vimos na dedução da equação,
a relação entre as vazões mássicas de ar é também igual à razão entre as umidades absolutas.
Questão 2
Um mercado localizado na cidade de Campinas, SP (patm = 93,63 kPa), utiliza um sistema de resfriamento
evaporativopara diminuir a temperatura do ar a ser insuflado no ambiente, bem como para promover uma
umidificação desse ar para melhor conforto dos clientes e funcionários. O ar externo tem as seguintes
condições: Tbs = 33,2°C e a Tbu = 21,9°C. Tendo como meta uma temperatura do ar interno de 25°C, a
umidade relativa desse ar será igual a (utilizar software ou aplicativo)
A
70%.
B
76,5%.
C
75,4%.
D
77%.
E
61,8%.
A alternativa B está correta.
Utilizando o aplicativo PsycroApp, vamos inserir os dados de entrada, que são a pressão local, a
temperatura de bulbo seco e a temperatura de bulbo úmido.
Com os dados de saída do programa, temos que a umidade do ar externo está em 41,77\% e a entalpia do
externo está em .
Como esse processo é isoentálpico, vamos usar o aplicativo novamente, e inserir os dados de saída, que
serão a temperatura de bulbo seco do projeto e a entalpia do ar externo .
Assim, temos que a umidade relativa do ar a ser insuflado no ambiente será de 76,55%.
5. Conclusão
Considerações finais
O ar-condicionado e a refrigeração são ciências que têm como base um bom entendimento da termodinâmica,
portanto, você deve conhecer bem seus conceitos básicos para um bom desempenho profissional.
Neste conteúdo vimos algumas características do ar-condicionado e da refrigeração e pudemos entender o
quão importante são as duas aplicações para nossa vida cotidiana.
Podcast
Para encerrar, ouça a importância dos conhecimentos de termodinâmica na refrigeração e ar-
condicionado, o impacto da refrigeração no cotidiano e as tendências do mercado de ar-condicionado.
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Assista ao documentário Zero absoluto: a conquista do frio, produzido pela BBC, e entenda a refrigeração ao
longo do tempo, por meio de eventos históricos e curiosos.
Referências
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 16401-1: 2008 – Instalações de ar-condicionado –
sistemas centrais e unitários – Parte 1: Projeto das instalações. Brasília, DF, 2008.
 
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Edition.
 
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conceitos sobre chillers e sistemas de água gelada. Brasília: MMA, 2017.
 
ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Termodinâmica. Porto Alegre: Grupo A, 2013.
 
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KROSS, K. A.; POTTER, M. C. Termodinâmica para Engenheiros. São Paulo: Cengage Learning Brasil, 2016.
 
MORAN, M. J. et al. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
 
SIMÕES-MOREIRA, J. R.; NETO, A. H. Fundamentos e aplicações da psicrometria. 2. ed. São Paulo: Blücher,
2019.
 
STOECKER, W. F.; JONES, J. W. Refrigeração e ar-condicionado. São Paulo: McGraw-Hill, 1985.
 
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VAN WYLEN, J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da termodinâmica clássica. São Paulo:
Blücher, 1995,
 
W., MITCHELL, J.; E., BRAUN, J. Princípios de Aquecimento, Ventilação e Condicionamento de Ar em
Edificações. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
	Fundamentos do ar-condicionado
	1. Itens iniciais
	Propósito
	Objetivos
	Introdução
	Conteúdo interativo
	1. Termodinâmica aplicada à refrigeração
	Conceitos de termodinâmica aplicados ao estudo da refrigeração industrial e ar-condicionado
	Conteúdo interativo
	Propriedades termodinâmicas
	Conteúdo interativo
	Propriedades termodinâmicas e estado termodinâmico
	Exemplo
	Pressão
	Temperatura
	Massa específica e volume específico
	Comentário
	Exemplos práticos
	Exemplo 1
	Exemplo 2
	Substância pura
	Fases e propriedades de uma substância pura e diagramas de fase
	Conteúdo interativo
	Fases de uma substância pura
	Líquido comprimido
	Líquido saturado
	Misturada saturada
	Vapor saturado
	Vapor superaquecido
	Diagramas de fase
	Propriedades da substância pura
	Conteúdo interativo
	Trabalho e calor
	Trabalho, calor e exemplos práticos
	Conteúdo interativo
	Trabalho
	Calor
	Condução
	Convecção
	Radiação
	Exemplo prático
	Calor específico, energia interna e entalpia
	Energia interna, entalpia, calor específico e exemplos práticos
	Conteúdo interativo
	Energia interna (U)
	Entalpia (H)
	Calor específico
	A pressão constante
	A volume constante
	Exemplos práticos
	Exemplo 1
	Exemplo 2
	Primeira e segunda leis da termodinâmica
	Conteúdo interativo
	Primeira lei da termodinâmica
	Segunda lei da termodinâmica
	Enunciados da segunda lei da termodinâmica
	Enunciado de Kelvin–Planck (máquinas térmicas)
	Enunciado de Clausius (refrigeradores)
	Verificando o aprendizado
	2. História e desenvolvimento do ar-condicionado
	A história do condicionamento de ar e como o ocorreu seu desenvolvimento
	Conteúdo interativo
	Histórico da refrigeração
	Conteúdo interativo
	História do ar-condicionado
	Conteúdo interativo
	Curiosidade
	Tendências no uso do ar-condicionado
	Verificando o aprendizado
	3. O ar-condicionado e a refrigeração industrial
	Definições e aplicações do ar-condicionado e da refrigeração industrial
	Conteúdo interativo
	Definições
	Condicionamento de ar, sistemas de ar-condicionado e unidade de tratamento de ar
	Conteúdo interativo
	Condicionamento de ar (sistema de ar-condicionado)
	Sistema de ar-condicionado com central de água gelada
	Chiller com condensação a água
	Chiller com condensação a ar
	Sistema de ar-condicionado com central multisplit VRV (vazão de refrigerante variável)
	Sistema de ar-condicionado unitário
	Unidade de tratamento de ar
	Aplicações do ar-condicionado
	Conteúdo interativo
	Ar-condicionado residencial
	Ar-condicionado veicular
	Ar-condicionado para datacenter
	Ar-condicionado para sala limpa
	Ar-condicionado para edifícios comerciais
	Aplicações da refrigeração industrial
	Conteúdo interativo
	Exemplo
	Verificando o aprendizado
	4. Cartas psicrométricas
	Psicrometria em cartas psicrométricas de forma gráfica e por software
	Conteúdo interativo
	Considerações sobre psicrometria
	Ar atmosférico, mistura de gases e exemplo prático
	Conteúdo interativo
	Ar atmosférico
	Mistura de gases
	Exemplo prático
	Propriedades psicrométricas
	Conteúdo interativo
	Umidade absoluta
	Umidade relativa ( ou UR)
	Entalpia da mistura (h)
	Volume específico
	Temperatura de bulbo seco (Tbu)
	Temperatura de ponto de orvalho (Tpo)
	Temperatura de saturação adiabática
	Temperatura de bulbo úmido (Tbu)
	Carta psicrométrica - forma gráfica e por software
	Obtenção das propriedades psicrométricas por diagrama e por software
	Conteúdo interativo
	Exemplo
	Solução
	Processos psicrométricos
	Processos para alteração das propriedades do ar
	Conteúdo interativo
	Resfriamento e aquecimento sensível
	Resfriamento com desumidificação
	Resfriamento evaporativo
	Mistura de duas correntes de ar
	Verificando o aprendizado
	5. Conclusão
	Considerações finais
	Podcast
	Conteúdo interativo
	Explore +
	Referências