Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Reconhecimento
Um engenhoso dispositivo, essencialmente uma máquina térmica, é o passarinho japonês bebedor de água.

Consiste em um recipiente especial, feito com duas esferas de vidro (a superior --- cabeça do passarinho --- e a inferior --- "corpo" do passarinho, de diâmetro ligeiramente maior que o da cabeça) ligadas por um tubo de vidro. Dentro do recipiente há uma certa quantidade de éter ou fréon, substâncias que se evaporam rapidamente à temperatura e pressão ambientes. Ao se fechar o recipiente, à fogo, parte do ar interior é retirado. A esfera menor (cabeça) é totalmente recoberta por uma fina camada de feltro, chamada camada higroscópica. O bico, de plástico muito leve, colado à cabeça, também é recoberto por esse material higroscópio.

As pernas e pés do passarinho (bastante estilizadas) formam o apoio em relação ao qual a estrutura de vidro pode balançar. Alguma penugem fina é colada à cabeça e ao corpo do brinquedo ("crista" e "cauda") e servem de "ajuste fino" para o equilíbrio.

Fixada ao tubo de vidro, abaixo de sua região central, tem-se uma fina lâmina de alumínio; suas extremidades são encaixadas em aberturas feitas nas pernas do aparelho.

O que ele faz?
A ilustração acima mostra a posição inicial do dispositivo. A taça é preenchida com água. Inclina-se o pássaro até que seu bico mergulhe complemente na água (aguarde até que todo feltro fique bem embebido). Solta-se o sistema. Ele retornará e ficará oscilando em torno da posição inicial. Aos poucos, a cabeça vai inclinando cada vez mais, aproximando-se da água da taça. Finalmente, ele mergulha o bico na água e rapidamente retorna à sua oscilação em torno da posição de equilíbrio inicial. O processo se repete continuamente. A ilustração animada do início do texto mostra bem isso. É o passarinho bebedor de água.

Como funciona ?
A pressão de vapor de éter no interior da esfera do corpo é máxima, para aquela temperatura do ambiente. A pressão de vapor no interior da cabeça e parte livre do tubo é pequena e isso acontece porque a cabeça é mantida fria pela contínua evaporação da água que embebe a camada higroscópica (feltro). Observe que, enquanto o pássaro não estiver quase na horizontal, o vapor do corpo e o vapor da cabeça estão separados por uma coluna líquida. A diferença de pressão exercida por esses dois vapores (a do corpo maior que a da cabeça) é a responsável pela elevação do líquido do corpo até a cabeça do pássaro.

Conforme o nível líquido vai subindo, o centro de gravidade do sistema oscilante também vai subindo. Quando o centro de gravidade ultrapassa o eixo de suspensão, o pássaro gira em torno desse eixo atingindo uma posição quase horizontal, o que permite a comunicação entre os dois vapores, igualando suas pressões e o conseqüente retorno do éter acumulado na cabeça para o corpo, fazendo com que ele se erga novamente.

A inércia do sistema e a força gravitacional garantem uma oscilação, tipo pêndulo, para o sistema. Esta oscilação melhora o desempenho da cabeça úmida aumentando a velocidade de evaporação da água absorvida quando o bico mergulha na taça.

Cada vez que o passarinho se reclina, seu bico mergulha na água, o que mantém a sua cabeça continuamente úmida; a parcial evaporação dessa água vai mantê-la fria. O "motor" do engenho é o resfriamento da água que fica, devido à evaporação da água que sai. Esse resfriamento é que reduz a pressão do vapor na cabeça do pássaro.

Se, em vez de água, enchermos a taça de vodca ou, melhor ainda, de álcool, o resfriamento da cabeça será mais intenso e o passarinho oscilará mais ligeiro. Se, por outro lado, cobrirmos o passarinho com uma redoma de vidro, o ar do interior desta ficará rapidamente saturado de vapor, a evaporação do revestimento da cabeça cessa, a temperatura da cabeça aumenta, a pressão de vapor ali também aumenta e o movimento cessará.

Esses passarinhos operam com menor eficiência quando a umidade do ar atmosférico é elevada; num dia chuvoso, ele não funcionará.

Podemos aproveitar isso ?

Podemos, em conexão com este brinquedo que opera pelo princípio da evaporação da água, levantar uma questão interessante, que sem dúvida já é motivo de estudo em alguns países.

Se adaptarmos um mecanismo de roda dentada ao eixo em torno do qual o passarinho oscila, podemos obter uma certa quantidade de energia mecânica e, com isso, operar uma bomba, trazendo água do mar, mais abaixo, para uma caixa d'água elevada ... e dela passar, por gravidade, a um outro reservatório mais afastado.

A questão é: a que altura máxima acima do nível do mar devemos colocar o passarinho de modo que ele ainda continue funcionando?
Em outras palavras: qual o tamanho máximo que ele pode ter ... e continuar trabalhando?

Podemos considerá-lo uma máquina térmica, com o calor se transferindo do corpo do passarinho, mais quente, para a sua cabeça, mais fria, e se transformando parcialmente em energia mecânica (trabalho). O calor latente de vaporização da água (da cabeça fria do passarinho) é 540 calorias por grama, que é equivalente a cerca de 2 250 joules de trabalho mecânico (1 cal = 4,18 joules). Essa cifra deve também representar a quantidade de calor que flui do ar, mais quente, para o corpo do passarinho, enquanto 1 g de água se evapora de sua cabeça (por não haver acúmulo ou perda de energia térmica no corpo do passarinho).

A eficiência de uma máquina térmica na transformação de calor em trabalho mecânico é dada por

h = (T₁-T₂)/T₁ ¾ rendimento de Carnot ¾ .

Em nosso caso, tanto T₁ como T₂ estão a aproximadamente 300 K (temperatura ambiente), enquanto a diferença T₁ - T₂ é de apenas uns poucos graus. Tomando-se essa diferença como sendo de, digamos, 3^oC, constata-se que a eficiência é de aproximadamente 1%, de modo que a evaporação de 1 g de água da cabeça do passarinho produzirá aproximadamente 22 joules de trabalho mecânico.

Para elevar 1 g (de água) à altura de 1 cm, deve ser despendido um trabalho [t = m.g.h ] de cerca de 10^-4 J . Esse cálculo foi feito assim:

t = m.g.h = 10^-3 kg . 10 m.s^-2. 10^-2 m = 10^-4 J ,

adotando-se para g (aceleração da gravidade) o valor 10 m.s^-2.

Como temos disponível 22 joules (proveniente da evaporação de 1 g de água), até que altura poderemos elevar 1g de água, com essa energia? O cálculo nos fornece:

t = m.g.h è22 J = 10^-3 kg . 10 m.s^-2 . h è h = 22 / 10^-2 m = 2 200 m = 2,2 km !

Desse modo, cada 1g de água que se evapora da cabeça do passarinho converte-se em trabalho mecânico que pode elevar, a partir do nível do mar, outro 1 g de água, à altura de cerca de 2.10⁵ cm ou 2 km acima daquele nível!

Naturalmente os cálculos acima estão bastante rudimentares e várias perdas de energia reduzirão consideravelmente essa cifra, mas o fato importante é que o pássaro japonês pode beber água, tranqüilamente, de grandes altitudes. Imagine um "passarão japonês" cujo tubo de vidro tenha cerca de 2 km de comprimento.

E isso poderá ser, no futuro, uma fonte importante de energia alternativa.

O pássaro sedento no laboratório

Propósito Investigar a operação do pássaro japonês bebedor de água. Material Pássaro japonês, proveta de 250 ml e água. Objetivo Muitos brinquedos ilustram princípios físicos fundamentais. O brinquedo denominado passarinho que "bebe água" é um bom exemplo de máquina térmica. O desafio para você, no laboratório, é descobrir como ele funciona.

Atividades e procedimentos sugeridos
1. Monte o brinquedo do pássaro sedento próximo à proveta com água, de modo que ele inicie seu ciclo de operação.

Assegure-se, nessa montagem, que o bico do pássaro toca a água em cada ciclo. Talvez você precise ajustar o fulcro (apoio da alavanca de primeira espécie, a qual o pássaro todo é um exemplo) para garantir ciclos suaves e seguros.

2. Depois que o pássaro começar a beber, efetuando os ciclos sem interrupção, estude cuidadosamente sua operação. Examine atentamente o movimento do pássaro e o movimento do líquido colorido em seu interior. Sua finalidade é explicar como ele trabalha. Como produto final, seria interessante de sua parte, fazer um esboço que explique, passo a passo, um ciclo completo do movimento do pássaro.

Perguntas opcionais
O instrutor do laboratório pode incluir em sua folha de trabalho as seguintes perguntas para ajudar os estudantes (ou simplesmente tê-las à disposição para dar "dicas"):

1. O que faz o fluido elevar-se no pescoço do pássaro?

2. O que faz o pássaro mergulhar sua cabeça na água?

3. Qual o propósito da "penugem" ou "outros enfeites" na cabeça ou corpo do pássaro?

4. O pássaro continuará seu ciclo removendo-se o recipiente com água? Explique.

5. A umidade relativa do ar envolvente afeta a freqüência de imersão do pássaro? Explique.

6. O pássaro funcionará mais rapidamente (tempo de um ciclo completo) em lugar fechado ou ao ar livre?
    Qual o porque disso?

7. Cite três condições que poderão fazer o pássaro parar de funcionar.
    Sugira colocar o sistema todo dentro de uma campânula (daquelas usadas em bombas de vácuo).

8. Cite pelo menos uma aplicação prática para o pássaro japonês.

9. A temperatura da água no béquer (ou copo) afeta o ciclo de funcionamento do pássaro? Explique.

10. Por que o passarinho é exemplo de máquina térmica? Explique.

Leitura Complementar

A "anatomia" e os "hábitos" de um Pássaro Sedento

1. O esqueleto: A estrutura do pássaro consta de um tubo reto interligando os dois bulbos, um em cada extremidade, tendo ambos, aproximadamente o mesmo tamanho. O tubo sai do bulbo superior (cabeça) como o pescoço de um funil e avança quase até o fundo do bulbo inferior (corpo), como um canudo dentro de um refrigerante.

2. O fulcro: Ligeiramente abaixo da metade do tubo encontra-se, bem apertada, uma lâmina transversal, que permite ao esqueleto girar em relação às pernas fixas na base. Essa lâmina tem sua parte inferior ligeiramente côncava e é responsável pelo movimento para a frente, inibindo o movimento para trás. Os extremos dessa lâmina têm uma saliência cujo ajuste permite regular o movimento descendente do esqueleto. É esse ajuste que impede a cabeça de bater na borda do copo durante o mergulho.

3. O bico: O bulbo superior é recoberto com um material felpudo, que se estende até o bico. Esse material sobre o bico funciona como um pavio, levando a água até a cabeça do pássaro.

4. O rabo: O rabo de penas, além de enfeite, serve de ajuste fino para o equilíbrio do pássaro.

5. Os intestinos: O pássaro está parcialmente cheio com uma quantia cuidadosamente medida de um fluido de baixa viscosidade, baixa densidade e pequeno calor latente de vaporização. O calor latente de vaporização (L_v) indica que quantidade de energia (Q), em quilojoules (kJ) é necessária para que a unidade de massa (m, em quilogramas - kg) do líquido passe para o estado gasoso, na temperatura em questão.

Para a água, L_v = 2250 kJ/kg; para o cloreto de metila, L_v = 406 kJ/kg; para o álcool etílico, L_v = 880 kJ/kg; para o freon-11, L_v = 189 kJ/kg. Ponto de ebulição não é importante aqui, pois a evaporação e condensação (que é o que nos interessa) acontecem na superfície de um líquido a qualquer temperatura.

6. Os enfeites: Alguns modelos acrescentam algo como chapéu, olhos, penas e coloração para o líquido interno, simplesmente para valor de entretenimento.

7. Observações: O pássaro é operado mantendo-se a cabeça molhada. Deve-se tomar cuidado para que não seja absorvida água em excesso, a ponto de começar a escorrer pelo tubo e começar a gotejar na base. Essa água em excesso no bulbo inferior poderá inverter os processos termodinâmicos. 
Nota: O primeiro ciclo levará um pouco mais tempo que os ciclos seguintes.

Pergunta básica: Como realmente ele trabalha?

Resposta curta:

• Termodinâmica mais Mecânica.

Resposta média (e pistas essenciais):

• Evaporação que esfria a superfície externa da cabeça; pV=nRT, evaporação, condensação e gravidade.

Resposta longa:

• Inicialmente o sistema está em equilíbrio, com ambas as câmaras na mesma temperatura T e pV/n compensando os níveis fluidos. A evaporação da água na superfície da cabeça extrai calor do interior; o vapor dentro da cabeça condensa e reduz o pV/RT (número de moles). Isso desequilibra as pressões dos vapores separados pela coluna líquido; de modo que o vapor do abdômen "empurra" para baixo o nível líquido fazendo-o subir no tórax, o que reduz o volume V dos vapores da cabeça.

Considerando que p está diminuindo no abdômen (pelo aumento de volume da parte isenta de líquido), evaporação ocorre, n aumenta, o que extrai calor do exterior do corpo. A subida do fluido, eleva o centro de gravidade do conjunto acima do ponto de suspensão. Como os quadris do pássaro são ligeiramente côncavos, ele inclina-se para a frente. As saliências nas pernas e no fulcro asseguram o ângulo de mergulho até o ponto ótimo (bico imerso na água do copo). Ao final desse mergulho, os vapores das duas câmaras entram em contato; desse modo, parte do vapor do abdômen passa para a cabeça e o líquido escoa, retornando ao abdômen.

A bolha de vapor ascendente transfere calor para a cabeça do pássaro e o fluido que desce cede energia potencial gravitacional. O centro de gravidade baixa e o pássaro levanta-se bruscamente. O sistema, reajustado desse modo, não está totalmente em equilíbrio, mas é o suficiente para que possam se repetir essa série de eventos.

Como dissemos, o bico age como um pavio ao mergulhar no reservatório de água, mantendo a cabeça molhada, embora não seja necessário, para o pássaro, beber em cada mergulho.

Isso é tudo o que devemos saber sobre o pássaro sedento? 
Claro que não. Pesquisas ainda continuam em processo. Ainda há perguntas sem respostas; exemplos:

1. Toda a energia ganha pelo sistema quando o fluido sobe é integralmente devolvida como trabalho mecânico útil?

2. O calor que evapora a água vem do ar circunvizinho e de dentro da cabeça; mas, em que proporção?

3. Exatamente, qual o fluido ideal para o projeto? Será o cloreto de metila?; será o freon-11? E o mercúrio? Tudo indica que ele, apesar dos cuidados especiais, é o melhor candidato.