Um refrigerador funciona sobre dois conceitos científicos: o primeiro, razoavelmente simples, é o fenômeno físico da convecção térmica dos fluidos -no caso o ar que está dentro da geladeira. Repare que, no caso das geladeiras convencionais, o freezer fica sempre na parte superior. No compartimento logo abaixo, separado do congelador, existe uma outra placa que também fica na parte superior.
Esta disposição de componentes não é arbitrária. Ela foi definida no conceito de convecção térmica dos gases, que postula que o ar frio, mais pesado, tende a descer e o ar quente, mais leve, tende a subir. Assim, o ar quente que sobe é resfriado pela placa e o ar frio que desce ganha calor na parte inferior da câmara de refrigeração. O ar frio volta a descer e o ciclo se repete.
E como existe uma pequena porém sensível diferença de temperatura entre as partes superior e inferior das geladeiras, as gavetas para legumes e verduras são alocadas na parte inferior, cuja temperatura é sempre ligeiramente mais alta, e a parte superior é destinada a bebidas, bolos e outros produtos do gênero. Isso porque as bebidas precisam estar mais geladas, porém as folhas das verduras são sensíveis a temperaturas mais baixas.
Mas por que, afinal de contas, o ar frio desce e o ar quente sobe? De acordo com os princípios termodinâmicos, o aumento de temperatura sobre uma massa gasosa provoca sua expansão, ou seja, aumento de volume. Imagine que a massa de ar dentro da geladeira seja constante. No momento em que você ligou a geladeira, a temperatura desse ar era igual à do ambiente externo, e ocupava um certo volume. Porém quando foi resfriado, contraiu-se e passou a ocupar um volume menor.
Sabe-se que densidade do materiais é a razão de sua massa por seu volume. Quando aquela mesma massa de ar (constante) contraiu, sua densidade foi aumentada de um certo valor, e tornou-se, assim, mais "pesada". Então, dentro da geladeira, o ar mais frio e pesado empurra o ar mais quente e leve para cima enquanto desce, gerando um movimento repetitivo de circulação - a convecção térmica.
Mas como as placas do freezer e da geladeira se esfriam? É aí que entra o segundo conceito científico, este um pouco mais complicado e estritamente termodinâmico.
O calor é uma forma de energia que flui através dos corpos de acordo com certas leis termodinâmicas. Uma destas leis diz que o calor nunca fluirá de um corpo mais frio para o mais quente, quando estiverem em contato; ou seja, a natureza é extremamente social! Quem tem (calor) dá para quem não tem!
Ora, sabe-se que se os alimentos forem colocados na geladeira à temperatura ambiente, e mesmo o ar interno de convecção está inicialmente em equilíbrio com o meio externo. Então, de acordo com a "lei social" deve-se fazer com que o calor flua dos alimentos e do ar para um outro corpo mais frio. Pronto, agora sabemos o porque devem-se resfriar as placas...
Mas COMO as placas esfriam!?
As placas são esfriadas pela passagem, em tubulações "friamente" calculadas, de certos tipos de gases, comumente denominados de "gases freom". Existem vários tipos de freons, sendo que os derivados de clorofluorcabonados vêm sendo substituídos por outros, como CO2 ou amônia, entre outros, devido a seus efeitos danosos à camada de ozônio, que protege a Terra dos raios UV vindos do sol.
Estes gases retiram calor das vizinhanças com as quais estão em contato de acordo com o efeito Joule-Thomson, que recebeu este nome em homenagem a seus descobridores, Sir Joule e William Thomson (mais tarde conhecido como Lorde Kelvin). O efeito Joule-Thomson explica como a temperatura varia quando um gás liquefeito se expande e volta ao estado gasoso, mantendo-se a entalpia do sistema constante.
De maneira mais elegante, o efeito Joule-Thomson é a diferencial da temperatura pela pressão de um gás liquefeito (dT/dP) em expansão adiabática (sem trocas de calor com o ambiente externo), mantendo-se a entalpia constante.
Para demonstrar este efeito Joule e Thomson realizaram o seguinte experimento: deixaram um gás expandir de um ambiente sob pressão constante para outro, passando por uma membrana porosa, e monitoraram a diferença de temperatura que ocorria com a expansão. Todo o aparato foi preparado de forma que o processo fosse adiabático. Eles observaram uma temperatura menor no lado de menor pressão, e a diferença de temperatura era proporcional à diferença de pressão entre as câmaras.
A diferença de pressão, entretanto, deve ser calculada para cada tipo de gás, pois sob determinados valores o efeito Joule-Thomson pode comportar-se de maneira inversa à desejada, ou seja, aquecer ao invés de resfriar.
Mas ainda resta uma última dúvida cabal quanto ao funcionamento desse instrumento relativamente simples: o gás absorveu calor ao expandir, retirando-o das vizinhanças. Para onde vai esse calor?
Ora, quando o gás expande, recolhe calor. Quando ele é novamente comprimido, deve perder o calor que absorveu. E é exatamente o que ocorre. Atrás dos refrigeradores existe um trocador de calor - uma grade por onde passam tubulações de gás comprimido - que devolve ao ambiente externo todo o calor que o gás retirou de dentro da geladeira. Se não existisse esse trocador de calor, em dado momento teríamos um forno, e não um refrigerador!
Então, a função do motor que fica atrás da geladeira é comprimir novamente o gás após a expansão, tornando-o liquefeito. Depois o gás liquefeito passa novamente pela válvula de descompressão e todo o processo se repete. Nota-se, então, que o circuito por onde este gás passa é dividido em duas zonas distintas: uma quente, sob relativa alta pressão, e uma fria, de baixa pressão.
O acionamento do motor para compressão e descompressão do gás é feito através de um aparelho chamado termostato - que é precisamente um regulador automático de temperatura. Mas como este dispositivo funciona já é outra história...
