TERMODINÂMICA

Prof(a): Fabiana de Sousa santos GonçalvesColégio Estadual

Constantino Fernandes2013

TERMODINÂMICA

UM POUCO DE HISTÓRIAA máquina Heron foi a primeira máquina térmica utilizada

para produzir trabalho e inventada por Heron de Alexandria, por isso recebe este nome.

Como se observa, o vapor produzido na caldeira em contato com a chama passa para a esfera móvel e escapa para a atmosfera através de dois tubos recurvados. O torque (grandeza física que produz variação de rotação) dado pela reação dos vapores que escapam faz girar o globo todo.

ENERGIA: DEFINIÇÕES BÁSICAS Energia: É a capacidade de realizar

trabalho. Esta capacidade pode-se manifestar sob várias formas: radiação eletromagnética, energia potencial ou incorporada, energia cinética, energia química (dos alimentos) e calor.

As máquinas térmicas  são máquinas capazes de

converter calor em trabalho. Elas funcionam em ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes, uma fonte quente que é de onde

recebem calor e uma fonte fria que é para onde o

calor que foi rejeitado é direcionado.

A respeito das máquinas térmicas é importante

saber que elas não transformam todo o calor em trabalho, ou seja, o

rendimento de uma máquina térmica é sempre

inferior a 100%.

A palavra máquina origina-se do grego mechane que significa qualquer

dispositivo engenhoso ou invenção. Uma máquina é definida como um aparelho

composto por várias partes com funções definidas.

Heron de Alexandria, que viveu por volta de 130 a.C., era um grande inventor. Catalogou os primeiros instrumentos chamados de máquinas simples: a

alavanca, a roda e eixo, a roldana, a cunha e a rosca. 

MÁQUINA TÉRMICABasicamente, uma máquina térmica é constituída por dois reservatórios, como mostra a figura. O calor flui do reservatório à temperatura elevada (fonte quente) para o reservatório à temperatura mais baixa (fonte fria), obedecendo a Segunda Lei da termodinâmica e transformado parte do calor que sai da fonte quente em trabalho. 

SE SÓ UMA PARTE DO CALOR FOI CONVERTIDA EM TRABALHO, PARA ONDE FOI O RESTO? A parte de calor que não foi utilizada para

a realização de trabalho é cedida para a fonte fria ou é dissipada, portanto, uma

máquina térmica nunca rende o máximo.A Segunda Lei da Termodinâmica que diz

que é impossível transformar todo calor em trabalho, reflete o fato de que nenhuma máquina térmica tem 100% de eficiência, portanto, o rendimento de tais máquinas é sempre inferior a 100%. 

1ª Lei da Termodinâmica: (Conservação da energia) A

energia pode ser transformada de um tipo em outro, mas não pode

ser criada nem destruída. Exemplos destas transformações: luz em calor, energia potencial em

cinética.

PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂNICA

Consideremos um sistema qualquer formado por um ou mais corpos.Quando fornecemos ao sistema uma quantidade de energia Q, na forma de calor, essa energia pode ser usada de dois modos:

Uma parte da energia poderá ser usada para o sistema realizar um trabalho, expandindo-se ou contraindo-se. Eventualmente pode acontecer de o sistema não alterar seu volume; assim o trabalho será nulo.

A outra parte da energia será absorvida pelo sistema, transformando-se em energia interna. Dito de outro modo;essa outra parte da energia é igual a variação da energia. Eventualmente pode acontecer AU=0: significa que , nesse caso, todo o calor foi usado para a realização de trabalho.

A Primeira Lei A essência da chamada Primeira Lei da

Termodinâmica pode ser formulada, de forma simples, nos seguintes termos:

"Em todo processo natural, a energia do universo se conserva.“

É impossível construir uma máquina que gere energia do nada. Uma máquina que fizesse tal coisa seria um "motor perpétuo da primeira espécie", e isso não existe porque contradiz a Primeira Lei da Termodinâmica.

Diversão de Aula

1 – Um sistema gasoso recebe do meio externo 200 cal em forma de calor. Sabendo que 1 cal = 4,2J, determinar:a) O trabalho trocado com o meio, numa

transformação isotérmica;b) A variação da energia interna numa

transformação isotérmica.

2 – Numa transformação isobárica, um gás realiza o trabalho de 400J, quando recebe do meio externo 500J. Determine a variação de energia interna do gás nessa transformação.

3 – Numa transformação isobárica, o volume de um gás ideal aumentou de 0,20 m3, sob pressão de 5,0 N/m2. Durante o processo o gás recebeu 5,0J de calor ambiente. Determine a variação de energia interna do gás.

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Máquinas Térmicas

O grande astrofísico britânico Arthur Eddington uma vez proclamou:

'Se a sua teoria contrariar alguma lei da física tudo bem, é possível que a lei deva ser modificada. Mas se essa lei for a segunda lei da termodinâmica, pode jogar a sua teoria no lixo'

2ª Lei da Termodinâmica: (Lei da Entropia) Nenhum processo que implique numa transformação energética ocorrerá espontaneamente, a menos que haja uma degradação de energia de uma forma concentrada numa forma mais dispersa (ou desorganizada). Assim sendo, nenhuma transformação de energia é 100% eficiente. A entropia é uma medida de energia não disponível, que resulta das transformações energéticas. Sua variação é sempre positiva em qualquer transformação

A SEGUNDA LEI E AS MÁQUINAS TÉRMICAS

“ É impossível construir uma máquina térmica que,

operando em ciclo, transforme em trabalho

todo o calor a ela fornecido.”

1) Temos duas canecas de alumínio, uma com 1 litro de água a 80oC e outra, com 1 litro de água a 20oC. Encostando uma na outra, a água quente esfria e a água fria esquenta até que ambas ficam na temperatura média de 50oC. E para retornar aos estados iniciais?

Poderíamos citar inúmeros processos como esses: copos que se quebram ao cair no chão, pilhas de lanterna que se

descarregam, gelo que se derrete dentro do guaraná e assim vai. O que todos

esses processos têm em comum é que podem ocorrer em um sentido mas não ocorrem, espontaneamente, no sentido oposto. São processos de mão única.

Em termos mais técnicos, eles são chamados de processos irreversíveis, pois não revertem espontaneamente.

No entanto, esses processos poderiam se dar em qualquer dos dois sentidos sem contrariar a Primeira Lei da Termodinâmica. Isto é, sem violar o princípio da conservação da energia. Como o calor perdido por um foi ganho pelo outro, teria havido conservação de energia. Mas, sabemos que o processo inverso nunca ocorre.

A Segunda Lei da Termodinâmica expressa essa mania da natureza de estabelecer um sentido para os processos naturais espontâneos. Existem vários modos de enunciar essa Lei. Uma delas, devida a Rudolph Clausius, diz assim:

"É impossível haver transferência espontânea de calor de um objeto frio para outro mais quente."

Observe a condição "espontânea". Em sua geladeira, a todo instante passa calor de dentro para fora, resfriando o interior e aquecendo o exterior. Mas, isso só acontece se a geladeira estiver ligada na tomada e funcionando, isto é, consumindo energia elétrica. O processo, portanto, não é espontâneo, tem de ser induzido.

Segunda Lei da Termodinâmica

Lord Kelvin expressou-a tecnicamente como se segue:

"Não existe processo natural cujo único resultado seja resfriar um reservatório de calor e realizar trabalho externo."

Em termos mais compreensíveis, esta lei observa o fato de que a energia utilizável no universo está se tornando cada vez menor.

No final não haverá energia disponível sobrando. A partir deste fato diz-se que o estado mais provável para qualquer sistema natural é um estado de desordem. Todos os sistemas naturais se degeneram quando abandonados a si mesmos.

A Segunda Lei da Termodinâmica afirma que a

quantidade de trabalho útil que você pode obter a partir da energia do universo está constantemente

diminuindo. Quando se tem uma grande

porção de energia num “lugar”, tem-se alta temperatura aqui e

baixa temperatura lá, então pode-se obter trabalho dessa situação.

Quanto menor for a diferença de temperatura, menos trabalho

você pode obter.

Então, de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica, há sempre uma tendência para as áreas quentes se resfriarem e as áreas frias se aquecerem - assim cada vez menos trabalho poderá ser obtido. Até que finalmente, quando tudo estiver numa mesma temperatura, você não poderá mais obter nenhum trabalho disso, mesmo que toda a energia continue lá. E isso é verdade para TUDO em geral, em todo o universo.“ [Isaac Asimov in The Origin of the Universe in the ORIGINS: How the World Came to Be video series 5299 USA: Eden Communications, 1983).]

A MÁQUINA DE WATT

O VAPOR PROVENIENTE DA CALDEIRA ENTRA PELA EXTREMIDADE ESQUERDA DO CILINDRO, EMPURRANDO-O PARA A DIREITA. O VAPOR QUE ETAVA À DIREITA ESCAPA PELA SAÍDA E. UMA VÁLVULA DESLIZANTE DESLOCA-SE ENTÃO PARA A ESQUERDA, FECHANDO A ENTRADA DE VAPOR E ABRINDO A ENTRADA DA DIREITA. NESSE INSTANTE O PISTOM RECEBE A PRESSÃO DESSA NOVA ENTRADA DE VAPOR E SE DESLOCA PARA A ESQUERDA. UM NOVO MOVIMENTO DA VÁLVULA DESLIZANTE PERMITE A ENTRADA DE VAPOR À ESQUERDA E O CICLO SE REPETE.

TURBINA A VAPOR

A SEGUNDA LEI

Q1 = T + Q2

“ É impossível construir uma máquina térmica que, operando

em ciclo, transforme em trabalho todo o calor a ela fornecido.”

Máquina Frigorífica

A serpentina onde é liberado o

calor que é retirado do

refrigerador, está situada na parte

posterior do aparelho.

A Segunda Lei da Termodinâmica

Q2 + T = Q1

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De maneira semelhante, também se descobre que a energia transferida pelo calor para dentro ou para fora do gás depende do processo pelo qual é transferido

• Calor em processos termodinâmicos

Em cada caso o gás tem o mesmo volume, temperatura e pressão iniciais e é considerado ideal

a) Um gás à temperatura Ti se expande lentamente absorvendo energia de um reservatório à mesma temperatura

b) Um gás expande rapidamente numa região onde se fez vácuo depois que uma membrana é rompida

Portanto concluímos que a transferência de energia pelo calor, assim como o trabalho realizado, depende do processo seguido entre os estados inicial e final do sistema

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2.5 Primeiro Princípio da TermodinâmicaCaso especial do princípio da conservação de energia: a única variação na energia dum sistema é a variação na sua energia interna U, e os únicos mecanismos de transferência de energia são o calor Q e o trabalho W Primeiro princípio da termodinâmica

WQU

Quando um sistema é submetido a uma mudança infinitesimal em seu estado, tal que uma pequena quantidade de energia dQ transferida pelo calor e uma pequena quantidade de trabalho dW realizado pelo sistema, a energia interna também varia de uma quantidade pequena dU

Q é a energia transferida para o gás

Significa que a variação da energia interna de um sistema, é igual à soma da energia transferida através da fronteira do sistema pelo calor e a energia transferida pelo trabalho

W é o trabalho realizado pelo gás

dWdQU

U

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2.6 Algumas Aplicações do Primeiro Princípio da TermodinâmicaProcessos termodinâmicos: adiabático, isométrico (ou isocórico), isotérmico e o cíclico

Processo adiabático

Q=0

Todas as superfícies do pistão são isolantes perfeitos, de maneira que a transferência de energia pelo calor não existe

WWQU 0

Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica WU

O trabalho realizado pelo gás é negativo, representando a transferência de energia para dentro do sistema, de maneira que a energia interna aumenta. E quando o gás se expande adiabaticamente, é negativoU

A expansão livre é um processo adiabático único, em que nenhum trabalho é realizado sobre o gás. Como Q=0 e W=0 obtemos .

0U 0 if UU if UU Não há variação na temperatura durante uma expansão livre adiabática

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Processo isobáricoProcesso que ocorre a uma pressão constante

WQU

if VVPW

Processo isométrico (ou isocórico)

No processo isométrico, o volume é constante e é criado segurando-se o pistão de maneira que ele não se mova W=0

0 QWQU QU

Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica

Aplicando o primeiro princípio da termodinâmica

Toda a energia adicionada ao sistema por meio do calor, vai para o aumento da energia interna do sistema

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Convecção

A energia é transferida pelo movimento de um fluido

Se não fosse pelas correntes de convecção, seria muito difícil ferver a água

À medida que a água é aquecida numa panela, as camadas inferiores são aquecidas primeiras.

Essas regiões se expandem e sobem porque tem uma densidade menor que a da água fria. Ao mesmo tempo, a água mais fria e mais densa vai para o fundo da panela e aí pode ser aquecida.

O mesmo processo ocorre numa sala aquecida por um aquecedor

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Radiação

A energia é transferida pela radiação electromagnética

A origem da radiação electromagnética é a aceleração de cargas eléctricas

A potência irradiada pelo corpo em Watts

4AeTH

Qualquer corpo emite radiação electromagnética devido ao movimento térmico de suas moléculas

8106696.5 W/m2K4 Constante de Stefan-Boltzmann:

T é a temperatura da superfície do corpo em kelvins

A é a área da superfície do corpo em metros quadrados

e é uma constante chamada emissividade

CALOR RECEBIDO PELO SISTEMA (ΔQ>0)

+ΔU

TRABALHO REALIZADO SOBRE

O GÁS (W<0)

Duas maneira de aumentar a energia interna , Δ U:

Duas maneira de diminuir a energia interna , Δ U:

TRABALHO REALIZADO PELO GÁS AO EXPANDIR (W>0)

-ΔU

CALOR É CEDIDO PELO GÁS (ΔQ<0)

ΔQ CEDIDO

QUENTE QUENTE

Certa quantidade de gás é colocada num sistema formado por um cilindro com êmbolo.

Acoplado ao sistema temos uma escala, um manômetro e um termômetro. Pondo o sistema em banho-maria, verifica-se, através do movimento do êmbolo, que o volume do gás varia. A escala, o manômetro e o termômetro permitem, respectivamente, a leitura da variação do volume, da pressão e da temperatura do gás. Fornecendo calor ao gás (ΔQ), o volume e a temperatura do gás aumentam. Medindo o aumento de temperatura, determinamos a variação de energia interna (ΔU). Medindo a pressão e a variação de volume, calculamos o trabalho realizado pelo gás ( W ). Verificamos que:

1a LEI DA TERMODINÂMICA

ΔU = ΔQ - W

Essa fórmula traduz analiticamente a primeira Lei da Termodinâmica ou Princípio da Conservação da Energia nas transformações termodinâmicas.

ΔU = U2 – U1

Variação da Energia Interna

W > 0 → energia mecânica que sai do sistema

W < 0 → energia mecânica que entra no sistema

ΔQ > 0 → calor que entra no sistema

ΔQ < 0 → calor que sai do sistema

1a Lei

ΔU = ΔQ - W

ΔQ

Calor é fornecido ao gás, que aumentando sua temperatura apresenta um aumento na sua energia interna. Como o gás aumenta de volume, trabalho é realizado pelo gás.

ΔU = ΔQ – W

Podemos utilizar:

CASOS PARTICULARES

VOLUME

PR

ES

SÃ

O

T1 T2

ISÓBARA P2 = P1

T2 > T1

W = P (V2 - V1)

ΔQ

a) TRANSFORMAÇÃO ISOBÁRICA

Isoterma: T1 = T2

Pre

ss

ão

Volume

ΔQ

IsotermaT 1 = T2

ΔT = 0 → ΔU = 0

ΔU = ΔQ – W ↓0 = ΔQ – W ↓

ΔQ = W

B) TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA

As transformações isotérmicas devem ser lentas, para que o gás troque calor na mesma medida que troca trabalho.

Todo calor fornecido ao gás é transformado em energia mecânica. Não sobra energia para variar a energia interna do gás.

C) TRANSFORMAÇÃO ISOVOLUMÉTRICA

VOLUME

PR

ES

SÃ

O

T1

T2

T 2 > T1

ISOVOLUMÉTRICAV1 = V2

Como não há variação de volume, não há a realização de trabalho. Calor não é transformado em energia mecânica.

ΔU = ΔQ – W ↓ΔU = ΔQ - 0 ↓

ΔU = ΔQ

Todo calor fornecia ao gás é armazenado pelas usas partículas, causando um aumento da sua energia interna.

C) TRANSFORMAÇÃO ADIABÁTICA

VOLUME

PR

ES

SÃ

O

ΔQ =0

T1

T2

T1 > T2

ADIABÁTICA

ΔU = - W

Ocorrem sem que haja trocas de calor entre o sistema e o meio externo. Isto geralmente é obtido num processo rápido.

ΔQ = O ↓ΔU = ΔQ – W ↓ΔU = 0 - W ↓

ΔU = - W

Na compressão rápida de um gás, o trabalho realizado sobre o sistema corresponde aumento da energia interna do sistema. No caso da bomba de bicicleta, uma compressão rápida do gás acarreta um aumento da energia interna e, por consequencia , da temperatura. Havendo uma expansão muito rápida do gás, o sistema realiza trabalho sobre o ambiente, utilizando sua própria energia interna; aí a temperatura diminui. É o que ocorre quando apertamos a válvula de um aerossol.

T>

T<

A

BTrabalho realizado

isotermas

processo adiabático

AB → Expansão Adiabática => W > 0 => U = - W => U < 0 => T diminui

BA →Compressão Adiabática => W < 0 => U= - W => U >0 => T aumenta

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Uma forma improvável dos tijolos caírem.

Uma forma mais provável dos caírem.

2a LEI DA TERMODNÂMICA www.fisicaatual.com.br

Algumas coisas não acontecem porque violam a conservação da energia. Porém, nem tudo que respeita a lei da conservação da energia pode

acontecer!

Falta uma lei que diga o que pode e o que não pode acontecer, que diga em que sentido energia

prefere fluir...Algo que indique a seta do tempo!

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A Primeira Lei da Termodinâmica reafirma a idéia da conservação da energia em todos os processos naturais, isto é, energia não é criada nem destruída nas transformações termodinâmicas. No entanto, essa primeira lei não diz a respeito da probabilidade ou possibilidade de ocorrência de determinado evento. A Segunda Lei da Termodinâmica tem um caráter estatístico, estabelecendo que os processos naturais apresentam um sentido preferencial de ocorrência, tendendo o sistema espontaneamente para um estado de equilíbrio. Na verdade, a segunda lei não estabelece, entre duas transformações possíveis que obedecem à primeira lei, qual que certamente acontece, mas sim qual a que tem maior probabilidade de acontecer. Na verdade a natureza apresenta um comportamento assimétrico. Observe os exemplos:

1o) Se dois corpos em temperaturas diferentes forem colocados em contato, há passagem espontânea de calor do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura, tendendo por uma temperatura de equilíbrio. A passagem de calor em sentido contrário não é espontânea, exigindo, para que ela se realiza, uma intervenção externa com fornecimento adicional de energia.

2o) As energias mecânica, elétrica, química, nuclear, etc. tendem a se degradar, espontaneamente e integralmente, em calor. No entanto, a conversão inversa, de calor em energia mecânica, por exemplo, é difícil e nunca integral.

3o) Se uma gota de tinta for colocada num líquido, as partículas dessa gota se espalham espontaneamente, até que todo o líquido fique uniformemente tingido. Não é impossível, mas altamente improvável, que as moléculas da substância da tinta se reúnam de modo espontâneo para restaurar a gota original.

As transformações não alteram a quantidade de energia do Universo. Embora permaneça inalterada, ...

... em cada transformação, a parcela da energia disponível torna-se cada vez

menor.

Na maioria das transformações parte da energia converte em calor...

... que ao se dissipar caoticamente pela vizinhança torna-se , cada vez menos disponível, para

realização de trabalho.

A energia total do Universo não muda, mas a parcela disponível para realização de trabalho, torna-se cada vez

menor.

2ª Lei da Termodinâmica:

É impossível construir uma máquina térmica que, trabalhando entre duas

fontes térmicas, transforme integralmente calor em trabalho.

Enunciado de Claussius da 2ª

Lei O calor não flui

espontaneamente da fonte fria para a fonte quente.

A dentro da geladeira

B compressor

GELADEIRA

C válvula de expansão

Existem cinco partes básicas em qualquer geladeira: compressor, tubos para a troca de calor (serpentina ou conjunto de tubos fixados na parte de fora), válvula de expansão, tubos para troca de calor fixados na parte de dentro e fluido refrigerante. Muitas instalações industriais usam amônia pura como refrigerante. Amônia pura evapora a -32º C (27º F).O mecanismo básico de uma geladeira funciona assim: O compressor comprime o gás refrigerante. Isto eleva a pressão e temperatura do fluido refrigerante (laranja), de modo que as serpentinas externas de troca de calor da geladeira permitem que o fluido refrigerante dissipe o calor devido à pressurização; À medida que esfria, o fluido refrigerante se condensa em forma líquida (roxo) e flui pela válvula de expansão; Quando passa pela válvula de expansão, o líquido refrigerante se move da zona de alta pressão para a zona de baixa pressão, e se expande e evapora (azul claro); As serpentinas dentro da geladeira permitem que o fluido refrigerante absorva calor, fazendo com que a parte interna da geladeira fique fria. Então, o ciclo se repete.

Um ar condicionado é basicamente uma geladeira sem seu gabinete. Ele usa a evaporação de um fluido refrigerante para fornecer refrigeração. Os mecanismos do ciclo de refrigeração são os mesmos da geladeira e do ar condicionado. O termo Fréon é genericamente usado para qualquer dos vários fluorcarbonos não inflamáveis utilizados como refrigerantes e combustíveis nos aerossóis.

A Válvula de expansão

B Compressor

1 - O compressor comprime o gás frio, fazendo com que ele se torne gás quente de alta pressão (em vermelho no diagrama acima). 2 - Este gás quente corre através de um trocador de calor para dissipar o calor e se condensa para o estado líquido. 3 - O líquido escoa através de uma válvula de expansão e no processo ele vaporiza para se tornar gás frio de baixa pressão (em azul claro no diagrama acima). 4 - Este gás frio corre através de trocador de calor que permite que o gás absorva calor e esfrie o ar de dentro do prédio.

AR CONDICIONADO

Um aparelho de ar condicionado de janela constitui um sistema completo de condicionamento de ar para locais pequenos. Estas unidades são fabricadas em tamanhos suficientemente pequenos, para que se encaixem em uma janela padrão. Se você abrir o compartimento de um ar condicionado de janela, verá que ele contém um compressor, uma válvula de expansão, um condensador (do lado de fora), um evaporador (do lado de dentro), dois ventiladores e uma unidade de controle. Os ventiladores sopram ar sobre os trocadores de calor para melhorar a sua capacidade de dissipar calor (para o ar exterior) e frio (para o ambiente ser resfriado).

Aparelho de janela

A maioria dos condicionadores de ar têm a sua capacidade classificada em Unidade de Calor Britânica (BTU). De forma geral, uma BTU é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 0,45 kg de água em 0,56º C. Especificamente, 1 BTU é igual a 1,055 Joules. Em termos de aquecimento e refrigeração, uma tonelada de refrigeração equivale a 12 mil BTU.Um ar condicionado normal de janela pode ter uma capacidade de 10 mil BTU. Para comparação: uma casa de 185 m2 pode ter um sistema de ar condicionado de 5 toneladas (60 mil BTU) de refrigeração, supondo que você precise de cerca de 300 BTU por m2. A classificação da eficiência enérgica (EER) de um ar condicionado é a sua capacidade em BTU dividida pelo seu consumo. Se, por exemplo, um ar condicionado de 10 mil BTU consome 1.200 watts, o seu EER é de 8,3 (10 mil BTU/1.200 watts). Obviamente, você vai querer que o EER seja o mais alto possível, mas normalmente um EER maior é acompanhado de um preço também maior.