Como mover o calor com um gás
P>Deixemos um momento de lado e vejamos como os gases se comportam. Se alguma vez bombeou os pneus de uma bicicleta, saberá que uma bomba de bicicleta fica bastante quente. A razão é que os gases aquecem quando os comprimimos (esprememos). Para que o pneu suporte o peso da bicicleta e o seu corpo, é preciso apertar o ar a uma pressão elevada. A bombagem torna o ar (e a bomba por onde passa) um pouco mais quente. Porquê? Ao apertar o ar, tem de se trabalhar bastante com a bomba. A energia que utiliza na bombagem é convertida em energia potencial no gás comprimido: o gás no pneu está a uma pressão e temperatura mais elevadas do que o ar frio à sua volta. Se comprimir um gás em metade do volume, a energia térmica que as suas moléculas contêm preenche apenas metade do espaço, pelo que a temperatura do gás sobe (fica mais quente).
Artwork: Os gases aquecem mais quando os comprimimos em menos volume, porque temos de trabalhar para lhes dar mais volume às moléculas energéticas. Por exemplo, quando se enche um pneu de bicicleta, a bomba aspira ar e espreme-se em menos espaço. Isto força as suas moléculas (bolhas vermelhas) a juntarem-se e faz com que aqueça.
Movendo mais calor transformando os gases em líquidos e vice-versa
Se tiver uma mente inventiva, pode provavelmente imaginar uma espécie de engenhoca tipo bomba que infla um pneu de bicicleta num lugar e depois esvazia-o noutro lugar, o que movimentaria o calor entre os dois. Mas é uma ideia desajeitada, e não podemos realmente mover muito calor dessa forma: precisaríamos de muita gasolina, para começar. Poderíamos, contudo, mover uma quantidade decente de calor, deixando um gás expandir-se e contrair-se muito mais para que se converta num líquido e volte – por outras palavras, mudando-o para um estado de matéria diferente.
Como funcionaria isso? Veja o que acontece com uma lata de aerossol, que contém um líquido armazenado sob pressão. Quando pulveriza um aerossol na sua mão, provavelmente já reparou que parece realmente frio. Isto deve-se, em parte, ao facto de algum do líquido arrefecer e vaporizar (transforma-se num gás) à medida que deixa a lata. Mas é também porque parte do líquido atinge a sua pele quente e vaporiza nessa altura: transforma-se num gás ao roubar o calor do seu corpo – e isso faz com que a sua pele se sinta mais fresca. Isto diz-nos que permitir que os líquidos se expandam e se transformem em gases é uma forma muito eficaz de remover o calor das coisas. Isso não é grande surpresa: é como o suor funciona – e por isso que os cães põem a língua de fora para arrefecer em dias quentes.
P>Foto: Os líquidos podem transformar-se em gases (e os gases arrefecem) quando se deixam expandir em mais volume. É por isso que os aerossóis sentem-se tão frios.
Embora os sólidos e os líquidos ocupem largamente a mesma quantidade de espaço, os gases ocupam muito mais espaço do que qualquer um deles. As moléculas de um sólido ou líquido estão bastante próximas umas das outras e atraem-se umas às outras com muita força. Quando um líquido se transforma em gás, ou vaporiza, algumas das suas moléculas mais enérgicas afastam-se e partem-se. É necessária muita energia para que isto aconteça, que é conhecida como o calor latente da vaporização, e essa energia tem de vir do interior do próprio líquido ou de algo próximo. Por outras palavras, transformar um líquido em gás é uma forma de remover a energia de algo, enquanto que transformar um gás de volta em líquido é uma forma de libertar novamente essa energia. Isto é essencialmente como os frigoríficos movem o calor do seu armário de refrigeração para o exterior da sala. Transformam um líquido num gás dentro do armário de refrigeração (para captar calor do alimento armazenado), bombeam-no para fora do armário, e transformam-no novamente num líquido (para libertar o calor no exterior).
Animação mostrando o conceito de refrigeração mecânica: captar calor do interior de um frigorífico e movê-lo para fora.
Animação: A ideia básica do que é por vezes chamada refrigeração mecânica. Dentro de um frigorífico (1), transformamos um líquido num gás para captar calor do interior do armário de refrigeração (2), bombeamo-lo para fora da máquina, e depois transformamo-lo novamente num líquido para libertar o seu calor lá (3).
O ciclo de aquecimento e arrefecimento
Ao comprimirmos gases em líquidos, podemos libertar calor; ao deixarmos os líquidos expandir-se em gases, podemos absorver calor. Como podemos utilizar este útil pedaço de física para deslocar o calor do interior de um frigorífico para o exterior? Suponhamos que fizemos um tubo que foi parcialmente dentro de um frigorífico e parcialmente fora dele, e que foi selado de modo a ser um loop contínuo. E suponha que enchíamos a tubagem com um químico cuidadosamente escolhido (um com um ponto de ebulição baixo) que facilmente mudava entre o líquido e o gás, que é conhecido como o refrigerante ou refrigerante.Dentro do refrigerador, poderíamos fazer com que a tubagem se alargasse de repente, o refrigerante líquido expandir-se-ia para um gás e arrefeceria as cabinas frigoríficas que o atravessavam. Fora do frigorífico, podíamos ter algo como uma bomba de bicicleta para comprimir o gás, libertar o seu calor, e transformá-lo novamente num líquido. Se o produto químico fluísse à volta e à volta da rampa, expandindo-se quando estava dentro do frigorífico e comprimindo quando estava no exterior, iria constantemente captar calor do interior e transportá-lo para o exterior como uma correia transportadora de calor. Desta forma, deslocaria constantemente o calor de um local frio (dentro do frigorífico) para um mais quente (fora dele), o que não é algo que as leis da física permitam que aconteça automaticamente (deixado aos seus próprios dispositivos, o calor flui de coisas mais quentes para coisas mais frias).
E, surpresa surpresa, é quase exactamente assim que um frigorífico funciona. Há alguns detalhes extra que vale a pena notar. No interior do frigorífico, o tubo expande-se através de um bocal conhecido como válvula de expansão (mais tecnicamente, é o que se chama um orifício fixo). À medida que o líquido refrigerante passa por ele, arrefece dramaticamente e transforma-se em parte num gás. Este pouco de ciência é por vezes conhecido como o efeito Joule-Thomson (ou Joule-Kelvin) para os físicos que o descobriram, James Prescott Joule (1818-1889) e William Thomson (Lord Kelvin, 1824-1907). Não se surpreenderá ao descobrir que o compressor fora do frigorífico não é realmente uma bomba de bicicleta! É na realidade uma bomba movida a electricidade. É o que faz um frigorífico zumbir de vez em quando. O compressor está ligado a um dispositivo do tipo grelha chamado condensador (uma espécie de radiador fino atrás do frigorífico) que expulsa o calor não desejado.
Foto: O ar húmido no interior do seu frigorífico contém vapor de água. Quando o frigorífico arrefece, esta água transforma-se em gelo. A parte mais fria do seu frigorífico é a caixa de gelo no topo. Isto porque a válvula de expansão é colocada mesmo ao seu lado.
Foto: Aqui está o compressor de um frigorífico típico. Note os tubos que transportam o líquido refrigerante de um lado e do outro. Não se pode ver esta unidade a menos que se afaste o aparelho da parede, porque está escondido na parte de trás e no fundo. Veja mais fotografias do mesmo na caixa abaixo.