Mudança de estado físico na refrigeração

Uma geladeira esfria porque um líquido ferve dentro dela. Não é figura de linguagem: o refrigerante entra no evaporador como mistura de líquido e vapor, ferve ali absorvendo o calor do ambiente, e volta a virar líquido no condensador liberando esse calor para fora. A mudança de estado não é um capítulo introdutório da física — é o mecanismo inteiro da refrigeração.

Por isso vale entender o que acontece quando uma substância muda de estado, e sobretudo o que não acontece.

Os três estados

No estado sólido, os átomos e moléculas estão fortemente unidos, com pouca mobilidade: vibram em torno de posições definidas, como se estivessem ligados por molas. A essas posições dá-se o nome de retículo cristalino. Por isso o sólido tem forma e volume definidos.

No estado líquido, as interações ainda são fortes o bastante para dificultar a separação, o que garante volume definido mas não forma.

No estado gasoso, a separação é grande o suficiente para que as moléculas se movimentem com liberdade, buscando ocupar todo o volume disponível. É por isso que um cheiro se espalha depressa por um ambiente — e é por isso que um vazamento de refrigerante não fica onde vazou.

Fornecendo ou retirando calor, provocam-se as seguintes mudanças:

O que não muda durante a mudança: a temperatura

Aqui está o fato que faz a refrigeração existir. Enquanto uma substância muda de estado, a pressão constante, a temperatura dela não muda. Todo o calor fornecido vai para afastar as moléculas umas das outras, não para acelerá-las — e temperatura é justamente a medida dessa agitação.

Daí a distinção entre os dois tipos de calor, tratada em detalhe no verbete calor sensível e latente. E daí também a razão de a mudança de estado ser o caminho escolhido para transportar calor: o calor latente é muito maior que o sensível. Com a água, que é a substância de que se têm os números mais à mão:

• aquecer 1 kg de água de 0 a 100 °C consome cerca de 418 kJ;
• vaporizar esse mesmo quilo a 100 °C consome cerca de 2.257 kJ — mais de cinco vezes mais, sem que a temperatura suba um grau;
• derreter 1 kg de gelo consome cerca de 333 kJ, o equivalente a aquecer a água em 80 °C.

É por isso que um sistema de refrigeração trabalha com o fluido mudando de estado, e não apenas esquentando e esfriando: na mudança de estado cabe muito mais calor por quilo de fluido circulado. Cada refrigerante tem os seus próprios valores, e é essa propriedade que aparece nas tabelas como calor latente de vaporização.

Fusão e solidificação

Fusão é a passagem de sólido para líquido. Fornecendo calor ao sólido, a amplitude das oscilações aumenta e a temperatura sobe, até que em certo ponto as moléculas deixam de vibrar em torno de posições fixas, o retículo cristalino se rompe e a fusão começa. A partir daí, a pressão constante, a temperatura fica parada até que todo o sólido tenha virado líquido.

Solidificação é o caminho inverso: retirando calor, a agitação diminui até que as moléculas se aproximem o suficiente para reconstituir o retículo. Também aqui a temperatura fica parada durante todo o processo.

Dois pontos que valem decorar:

• para a mesma substância e a mesma pressão, a temperatura de fusão é igual à de solidificação;
• a temperatura de fusão à pressão de 1 atm é o que se chama de ponto de fusão.

Os três últimos não estão aí por curiosidade: são o chumbo da solda, o alumínio das aletas e o cobre da tubulação. Saber a que temperatura cada um amolece é o que separa uma brasagem bem feita de um furo novo.

A pressão e a fusão, e a exceção que interessa

Quase todas as substâncias aumentam de volume ao passar de sólido para líquido. Esse aumento é dificultado pela pressão externa: quanto maior a pressão, maior a temperatura necessária para fundir.

A exceção é justamente a substância com que este ofício mais lida: a água. O gelo é menos denso que a água líquida — é por isso que flutua, e é por isso que cano com água congelada arrebenta. Como o gelo contrai ao derreter, com a água a regra se inverte: aumentar a pressão abaixa o ponto de fusão.

Isso não é detalhe de prova. É o que explica por que a geada num evaporador abaixo de zero não se comporta como se espera, por que o degelo é uma etapa de projeto e não um improviso, e por que gelo preso entre aletas descola com pressão mecânica antes de derreter por calor.

A pressão manda na temperatura de ebulição

Esta é a relação mais útil de todas, e a razão pela qual o técnico mede pressão para falar de temperatura.

Cada substância tem uma temperatura de ebulição para cada pressão. Suba a pressão e ela ferve mais quente; baixe a pressão e ela ferve mais frio. A água a 1 atm ferve a 100 °C; numa panela de pressão, a mais de 100; no alto de uma montanha, a menos.

Um sistema de refrigeração é essa relação usada de propósito. O mesmo fluido, no mesmo circuito:

• no evaporador, submetido a pressão baixa, ferve a uma temperatura abaixo da do ambiente — e por isso absorve calor dele;
• no condensador, submetido a pressão alta, condensa a uma temperatura acima da do ar externo — e por isso entrega calor para ele.

Quem cria essas duas pressões são o compressor, de um lado, e o dispositivo de expansão, do outro. Escolher a temperatura de evaporação é, na prática, escolher a pressão de sucção.

É também por isso que o manômetro do manifold traz escalas de temperatura ao lado da escala de pressão, uma para cada fluido: ele mede pressão, e o técnico lê temperatura. Este portal tem uma tabela pressão-temperatura com essa conversão para os fluidos usuais.

Ponto de ebulição dos fluidos a 1 atm

A versão anterior desta página trazia aqui uma tabela de pontos de ebulição de metais, com quatro valores errados e nenhuma utilidade para quem trabalha com refrigeração. No lugar dela, os fluidos — e a água como referência:

Três leituras que essa tabela permite. Primeira: todos esses fluidos fervem muito abaixo de zero à pressão ambiente — é por isso que cilindro de refrigerante é vaso sob pressão, e não um galão de líquido. Segunda: o R-410A aparece com valor aproximado porque é mistura zeotrópica, que não ferve a temperatura única, e sim numa faixa. Terceira: o CO₂ não tem ponto de ebulição a 1 atm, ele sublima — passa direto de sólido a gás, que é exatamente o comportamento do gelo seco.

Evaporação e ebulição não são a mesma coisa

Evaporação é vaporização lenta, que acontece só na superfície livre do líquido e não exige temperatura determinada. A água do mar evapora a 5 °C, a 20 °C e a 60 °C — a temperatura influi na rapidez, não na possibilidade.

O mecanismo: as moléculas de um líquido têm, a cada instante, energias térmicas diferentes, e as de maior energia conseguem escapar da atração das vizinhas. Como a temperatura é a energia térmica média, a saída das mais energéticas reduz a temperatura do líquido que ficou. Ou seja: a evaporação resfria o que não evaporou.

É o que se sente ao molhar a mão com éter ou com álcool. As moléculas de maior energia evaporam, sobram as de energia menor, a temperatura do líquido cai, e o calor passa da mão para ele — daí a sensação de frio. É o mesmo princípio da moringa de barro, que mantém a água fresca pela evaporação através dos poros. E é, no fundo, o mesmo princípio do evaporador: o nome do componente não é por acaso.

Três fatos sobre a velocidade da evaporação, todos com consequência prática:

• ela diminui quando o vapor se acumula nas vizinhanças do líquido, porque moléculas que já saíram podem voltar. É por isso que num mesmo calor de verão se sente menos desconforto com ar seco: o suor evapora mais rápido. E é por isso que o ventilador alivia — ele arrasta o vapor acumulado perto da pele, sem esfriar nada. O ar-condicionado faz as duas coisas, porque além de esfriar, retira umidade do ar;
• ela aumenta com a área da superfície livre — a roupa no varal seca mais rápido do que amontoada, e a serpentina do evaporador é uma superfície enorme por esse mesmo motivo;
• ela aumenta com a temperatura e diminui com a pressão sobre o líquido.

Ebulição é vaporização intensa e turbulenta, que acontece em toda a massa do líquido, com bolhas que se formam junto às superfícies aquecidas e crescem à medida que sobem, porque a pressão diminui. Ao contrário da evaporação, ela só acontece a uma temperatura determinada, que depende da pressão.

Dentro do evaporador o que acontece é ebulição, não evaporação: o fluido ferve em toda a massa, a uma temperatura fixada pela pressão de sucção.

Condensação

Reduzindo a temperatura de um vapor, o movimento das moléculas desacelera e as que se encontram conseguem se unir: elas se aglomeram e passam ao estado líquido. É a liquefação, ou condensação. Mantida a pressão, a temperatura fica constante enquanto houver vapor a condensar.

Os dois trechos horizontais desse gráfico são o retrato do calor latente: calor entrando, temperatura parada.

A consequência que todo técnico usa: superaquecimento e subresfriamento

Se a temperatura não muda durante a mudança de estado, então temperatura e pressão sozinhas não dizem onde o fluido está. A 5 °C e na pressão correspondente, o refrigerante pode ser quase todo líquido, meio a meio ou quase todo vapor — e a leitura é a mesma.

É para resolver isso que existem as duas medidas que o técnico tira em todo atendimento: o superaquecimento, que é o quanto o vapor está acima da temperatura de saturação, e o subresfriamento, que é o quanto o líquido está abaixo dela. Ambas dizem o que a pressão não diz, e por isso são o instrumento de diagnóstico de carga e de alimentação do evaporador. O verbete superaquecimento e subresfriamento trata das duas.

Sublimação e sublimação inversa

Sublimação é a passagem direta de sólido para gasoso, sem passar pelo líquido. O exemplo tradicional é a bolinha de naftalina, que vai diminuindo de tamanho porque perde massa na forma de vapor — e é também por isso que certos sólidos têm cheiro: moléculas estão escapando deles. O processo é lento e parecido com o da evaporação de um líquido.

Uma correção, porque a versão anterior desta página dizia que “os líquidos em geral estão sempre sublimando”. Não estão: líquido que vira vapor está evaporando. Sublimação é coisa de sólido.

O caso que mais interessa aqui é o gelo seco, que é CO₂ sólido: à pressão ambiente ele não derrete, sublima a cerca de −78,6 °C. Não molha, e é por isso que serve para transporte refrigerado.

Sublimação inversa é o caminho contrário, de gasoso direto a sólido — e ela acontece todo dia em qualquer câmara de congelados. A geada que se forma nas aletas de um evaporador abaixo de zero não é água que molhou e depois congelou: é vapor de água do ar que passou direto ao estado sólido ao tocar a superfície fria. Entender isso muda o raciocínio sobre degelo, sobre dreno e sobre por que câmara com entrada de ar úmido acumula gelo tão rápido.

Para calcular quanta água o ar carrega e a que temperatura ela começa a se depositar, este portal tem uma calculadora psicrométrica.