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Conversões de Energia

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

Introdução
Energia é conservada. Você não a pode criar, você não a pode destruir. Tudo que você pode fazer é mudá-la de uma forma para outra. Nós não podemos fazer energia elétrica — nós queimamos carvão e convertemos sua energia química em energia elétrica. A energia cinética de seu carro em movimento é proveniente da energia química da gasolina, cujo ‘poder’ usamos. Essa ‘energia das substâncias químicas’ veio, em última instância, do Sol, na forma de energia radiante. A qual, por sua vez, é proveniente da energia nuclear típica dos ‘combustíveis’ do Sol.

Tendo isso em mente, você poderá, através de experimentos, ter a chance de explorar como é feita a conversão (técnica) de uma modalidade de energia para outra.

Você verá como se faz para transformar, por exemplo, energia química em energia térmica; de energia térmica para energia cinética de translação; de energia cinética de translação para a energia cinética de rotação; dessa para a energia elétrica e dessa, novamente em energia química.... E assim por diante. Atente que há diversas técnicas para transformar uma dada modalidade de energia em outra.

Em cada caso, a ênfase será para a conversão: como cada forma de energia foi convertida em outra.

Tipos de Energia
Energia é conservada; há uma certa quantidade dela, e nunca será qualquer outra quantidade a mais, ou a menos. Quando as pessoas falam, em relação ao mundo, que está “faltando energia”, o que elas realmente querem dizer é que um determinado ‘tipo de energia’ está em falta. Boa parte do trabalho realizado pelo mundo moderno -- a tecnologia -- é converter a energia química do carvão e óleo em energia cinética (de veículos), em outras formas de energia química (a dos fertilizantes), em energia térmica (nas estruturas e habitações), e energia radiante (luz). O maior tento lavrado pela tecnologia é exatamente este: proporcionar mais energia disponível aos seres humanos.

Aqui está uma lista parcial dos diferentes tipos de energia, seguida de um simples exemplo:

Cinética (energia de movimento - um carro em movimento tem isto)
Potencial gravitacional (energia de posição - pense na água armazenada em uma represa)
Elástica (energia de posição - uma mola esticada tem isto)
Calor (é forma de energia, mas não confunda com temperatura!)
Química (energia de posição - gasolina tem muito disto em sua massa)
Radiante (luz e calor radiante; pensa na luz do Sol incidindo em sua pele)
Nuclear (tipicamente proveniente da quebra de átomos; pense na potência atômica)
Elétrica (aquela que está fazendo meu computador funcionar enquanto digito isso!)
Sonora (energia mecânica - bem óbvio; gritando as crianças emitem muito dela)

Material para experimentos
Três embalagens plásticas de filmes 35mm
Dois pregos pequenos

Dois fios condutores comuns, com garras ‘jacaré’ em cada extremo
Acendedor de fogão a gás (piezelétrico)
Algumas gotas de álcool para fricção (isopropílico)
Fósforos
Comprimidos de Alka-Seltzer ou outro efervescente análogo
Água quente e fria
Bateria de 9V (a quadradinha) 
Lâmpada néon pequena (NE2, NE1)
Óculos de proteção
Papel toalha

Detergente de cozinha

Com esse material faremos 5 experimentos sobre as Conversões de energias.

1- ‘Pipocando’ com Alka-Seltzer - produzindo energia mecânica a partir da energia química.
Para esta experiência, você precisará dos seguintes materiais, da lista acima:

Duas embalagens de filme
Água quente e fria

4 comprimidos de Alka-Seltzer
Óculos de proteção
Papel toalha

Comprimidos (ou tabletes) de Alka-Seltzer emitem gás quando eles são colocados em água. As reações químicas que produzem as bolhas são a mesma que acontece quando você mistura vinagre à sua soda limonada. Vinagre é um ácido, e isso é o que o faz reagir com seu refrigerante. Tabletes de Alka-Seltzer contém ácido cítrico, assim como a soda limonada. Tudo que eles precisam é da água, para que a reação aconteça.

Eis os passos que você deve seguir:

• Coloque seus óculos de proteção! Isto é muito importante.
• Tenha à mão a toalha de papel — essa experiência é bem suja!
• Preencha uma das embalagens de filme, até a metade, com água fresca.
• Coloque um tablete de Alka-Seltzer na água, feche a embalagem rapidamente e saia de perto! Se a tampa for expelida, reponha-a rapidamente, e veja se ‘explode’ novamente.

O que você observou? O que aconteceu com a tampa da embalagem de filme? Que tipo de energia a tampa adquiriu? Que tipo de energia estava contido no tablete? Ocorreu conversão de energia de um tipo para outro?

O Alka-Seltzer sofre uma reação química com água. Mostra a Química, que a rapidez com que as reações químicas se processam depende da temperatura nas quais ocorrem. Será que a reação do Alka-Seltzer aconteceria mais rapidamente em água quente do que em água fria?

Como você poderia testar isto?

• Projete uma experiência para determinar se a reação química acontece mais rapidamente em água quente ou em água fria.
• Realize a experiência que você projetou, e anote seus resultados.

Então, o que você concluiu? A reação química (e portanto, o pulo da tampa) é mais rápida em água quente ou em água fria?

 Antes passar para o experimento seguinte, limpe qualquer solução de Alka-Seltzer que tenha derramado. Guarde o material restante ... para que possa usar depois.

2- Acendendo uma lâmpada de néon - produzindo energia elétrica usando a energia mecânica.

Alguns livros (que, infelizmente, ainda não passaram pela censura do MEC) falam em dois tipos de ‘eletricidade’: a eletricidade estática (Eletrostática) e eletricidade em movimento (Eletrodinâmica). Mas eles estão enganados; primeiro por usar a palavra ‘eletricidade’ indevidamente e, segundo porque não há esses tais ‘dois tipos’. É uma coisa só! Recomendo a Leitura "Velhos Chavões" da Sala 19 (clique no destaque).

Nós vamos mostrar isto, e também ilustrar duas conversões de energia para obter, uma terceira, a energia luminosa.
Para esta experiência, você precisará dos seguintes materiais:

Lâmpada de néon (NE2 ou a NE1)
Local atapetado (ou um tapete sob seus pés)

A lâmpada néon é uma pequena lâmpada de vidro (coisa de 3 mm x 5 mm) com dois elétrodos, preenchida com gás de néon. Você pode obtê-la facilmente nas lojas de artigos eletrônicos; é aquela lampadinha incrustada no cabo de algumas chaves de fenda para testar a polaridade de uma tomada elétrica.
Pegue essa lâmpada néon e cuidadosamente, dobre os terminais para fora, como se ilustra: 

Agora, trabalhe com um colega, e siga os seguintes passos. Para melhores resultados, você deverá escurecer as luzes do quarto (ou da sala de aula).

• Segure um dos terminais da lâmpada, e esfregue seus pés no tapete. Isso fez a lâmpada acender? [Repare bem um dos eletrodos da lâmpada e observe se aparece uma luz avermelhada].
• Agora, peça a seu colega para segurar o outro terminal da lâmpada e, novamente, esfregue bem os pés no chão (Ops! Esqueci-me de avisar, tire os sapatos!).  A lâmpada acende agora?
• Finalmente, tente acender a lâmpada sem ajuda de ninguém (agradeça a ajuda de seu colega e dispense-o). Segure a lâmpada por um dos terminais, esfregue bem os pés do tapete e encoste o outro terminal em algum objeto de seu quarto ou sala de aula; maçaneta da porta, esquadria metálica da janela, num prego fincado na parede etc. (o etc. pode ser também a ponta do nariz de outro colega). A lâmpada pisca ao tocar em algo?

Importante
a) Pense em termos de fluxos de ‘eletricidade’ (melhor seria dizer fluxo de cargas elétricas). Você consegue explicar por que você precisa ter alguém (ou algo!) tocando a lâmpada em ambos os terminais?
b) Explique que conversões de energia estão participando desse experimento. Onde está a energia inicial do processo? Que tipo ela é? Transformou-se em que? Qual o tipo da energia final?

3- Acendendo uma lâmpada de néon- produzindo energia elétrica usando a pressão.

Para esse experimento você precisará do seguinte equipamento:

Lâmpada de néon
Faiscador piezelétrico (acendedor de fogão a gás)

Dois fios comuns com garras ‘jacaré’ nos extremos

Advertência: o faiscador piezelétrico produz uma tensão elétrica bastante alta (cerca de 8 000 volts) quando se aperta o botão de disparo! Isso ocorre quando se dá uma rápida compressão num tipo muito especial de cristal denominado ‘cristal piezelétrico’. A intensidade de corrente elétrica do processo é bem pequena, não chega a ferir ninguém que receba essa faísca, mas dói e assusta! Não toque a extremidade metálica do acendedor ou o extremo do fio ligado a ela! Por outro lado, o fio do acendedor é bastante frágil; por gentileza, tenha bastante cuidado com ele.

O faiscador é o acendedor de um fogão a gás. Quando você aperta o botão no extremo, isso produz uma alta tensão que fará uma faísca saltar entre os eletrodos próximos que existe na extremidade do acendedor. Se você tiver este faiscador já retirado do corpo plástico do acendedor isto facilitará as conexões.

• Conecte os terminais de alta tensão do faiscador com os terminais da lâmpada néon mediante os dois fios dotados de garras ‘jacarés’ nas extremidades. Observe a ilustração: 

• Agora, aperte o botão do acendedor, e veja o que acontece.

Descreva o que está acontecendo. Que conversões de energia estão ocorrendo?
É bom que você saiba que, quando aperta o botão do acendedor, você está comprimindo uma mola de seu interior. Quando essa mola comprimida atinge seu curso final, solta-se, empurrando uma espécie de ‘martelo’ que bate no cristal piezelétrico.

4- ‘Pipocando’ com álcool - energia elétrica + energia química produzindo energia mecânica.
Esta experiência não é perigosa se for corretamente encaminhada, mas é muito importante que você siga todas as instruções!

A primeira coisa que você vai precisar para esta experiência é colocar óculos de proteção ou outra coisa que proteja seus olhos. A tampa da embalagem de filme será arremessada, assim como parte de seu conteúdo e, por isso, você precisa proteger-se.
A segunda coisa que você vai precisar é de algumas gotas de álcool isopropílico. Esse álcool, em Sala de Aula, deverá ser manuseado pelo professor. Você precisará apenas de uma ou duas gotas! Mais álcool não fará a experiência ter desempenho melhor, e poderá causar problemas.
Eis o restante do equipamento do que você vai precisar:

Embalagem plástica de filme de 35mm
Dois pregos pequenos

Dois fios comuns com garras jacarés nas extremidades

Acendedor piezelétrico para fogão a gás

Execute esses passos:

• Pegue os dois pregos e os empurre pela lateral da embalagem de filme, diametralmente opostos, de forma que eles quase se tocam, mas não devem chegar a tocarem-se (deixe uns 2 mm entre pontas).
• Ligue os terminais do acendedor, através dos dois fios, nesses pregos, como se ilustra abaixo.
• Com a embalagem sem a tampa, e sem tocar nos pregos, aperte o botão do acendedor. Verifique se entre as pontas dos pregos salta uma faísca. Ajuste a distância entre as pontas dos pregos de modo que, cada vez que apertar o botão do faiscador, salte uma faísca entre essas pontas.
• Agora, você usará o álcool. Desconecte o acendedor de fogão. Coloque uma ou duas gotas de álcool no interior de sua embalagem de filme e coloque a tampa, rapidamente e firmemente.

• É importante que aquele álcool evapore e misture-se com o ar contido na embalagem. Vapor de álcool é o que queima nesta experiência, não o líquido! Segure a embalagem em sua mão para esquentá-la um pouco; esfregue a palma da mão contra o fundo da embalagem, se necessário.
• A seguir, re-conecte o acendedor/faiscador com os pregos. Coloque a embalagem sobre a mesa, apontando diretamente para cima; ajuste o protetor em seus olhos e afaste-se até quanto os fios permitirem ... aperte o botão do acendedor.

O que acontece? Descreva o que você vê, e o que você pensa estar acontecendo.
Até a tampa pular fora, que tipos de energia estão em jogo? Há pelo menos três tipos diferentes de energia; tente identificar todos!
De onde vem a energia inicial dessa experiência? Sob que tipo ela se apresenta?
Por que é importante que o álcool vaporize no interior da embalagem?

NOTA: Esse mesmo acendedor piezelétrico pode ser usado na experiência do Foguete com H2 + O2, que se encontra nesta Sala 21.

5- Decompondo a água - usando energia elétrica para produzir energia química.
Na última experiência, você teve a oportunidade de converter energia química em outros tipos de energia. Agora nós vamos converter energia elétrica em energia química; vamos fazer um pouco de combustível!
O combustível que vamos fazer é o gás hidrogênio. Como sabemos, água é composta de hidrogênio e oxigênio. Se conseguirmos decompor a água (e é o que faremos ao fazer uma corrente elétrica circular através dela), iremos conseguir gás hidrogênio e gás oxigênio. Esta técnica de produzir energia química através da energia elétrica denomina-se eletrólise.

Eis o material que vamos precisar para esse experimento:

Embalagem plástica de filme com dois pregos espetados nela (o mesmo do experimento anterior)
Água fria

Tablete de Alka-Seltzer
Dois fios com garras jacaré nos extremos
Bateria de 9V
Detergente de lavar pratos
Pregos

Fósforos

Acompanhe os passos:

• Preencha sua embalagem de filme com água fria, até cobrir os pregos.
• Adicione à água pequenos pedaços de Alka-Seltzer, lentamente, de forma que não espume sobre os lados. Aguarde até tudo parar de borbulhar.

Agora, nós vamos ‘acrescentar’ um pouco de ‘eletricidade’:

• Use os dois fios com garras para conectar a bateria de 9V aos pregos, pelos lados de fora da embalagem de filme. Verifique se os pregos estão debaixo da água dentro da embalagem de filme. O que nota você? Observe bem o interior da embalagem.

Você nota alguma diferença entre o que está acontecendo com um prego e com o outro? Que diferença é essa? Que você acha que passa a acontecer logo após ter ligado a bateria nos pregos?

As bolhas que você vê são de gás hidrogênio (que se forma no prego ligado ao terminal negativo da bateria) e de gás oxigênio (que se forma no prego ligado ao terminal positivo da bateria). Gás hidrogênio queima; de fato, você pode usá-lo até para fazer um carro andar! Vamos coletar um pouco dessa mistura explosiva (hidrogênio e oxigênio que se desprendem da solução).

• Retire a tampa da embalagem de filme e use um prego para fazer um pequeno buraco em seu centro. (Peça ajuda se você tiver dificuldade para fazer isto.) Ponha a tampa na embalagem.
• Agora conecte a bateria de 9V e deixe o sistema ligado por um minuto ou dois.
•Toque os lados da embalagem de filme; o que sente na mão? Está quente?
Agora, desconecte os fios e deixe coisas como estão.

Com que tipo de energia começa essa experiência? Que tipo de energia transfere-se através dos fios?

Vamos coletar algum gás para inspeção. Faremos isto pondo um pouco de solução de detergente sobre o buraco no topo da embalagem de filme e deixaremos o gás que vai sendo produzido fazer bolhas de sabão.

• Coloque pouco de solução de detergente sobre o buraco no topo da embalagem de filme. Agora conecte a bateria novamente. Está observando as bolhas de gás que se formam na solução de detergente?

• Agora vem a parte excitante do experimento; deixe uma bolha grande (ou um grupo de bolhas pequenas) se formar e fique pronto com a caixa de fósforos. Assim que uma boa bolha de formar, acenda o palito e aproxime da bolha. POP!

O que acontece? Você pode explicar tudo isso que aconteceu? Já sabe enumerar a seqüência de conversões de energias que ocorreram? Com que tipo de energia começa e com que tipo termina?

Observações finais
A grande lição que você aprendeu com esses experimentos é a seguinte: não podemos criar ou destruir energia, só podemos converte-la de uma modalidade (tipo) para outra. E tem mais, podemos fazer tais conversões de muitos modos diferentes. Você já pensou de quantas maneiras podemos acender uma fogueira? Cite 4 modos diferentes de fazer fogo.
Podemos converter energia elétrica em térmica e luminosa (através de uma lâmpada incandescente, por exemplo); podemos converter energia cinética em elétrica (esfregando os pés no tapete, por exemplo); podemos converter energia química em térmica, cinética e sonora (como aquela do estouro do álcool); e assim por diante.
Como você fez essa série de experimentos, temos certeza que tomou conhecimento disso tudo.

Eis uma coisa para se pensar: já que a quantidade de energia no Universo é fixa, isso significa que jamais esgotaremos toda a energia? Não exatamente. Acontece que algumas formas de energia são mais úteis que outras. Há um bom bocado de energia térmica nos oceanos, mas é bem complicado tentar utilizá-la para movimentar um automóvel. Assim, na verdade, não estamos esgotando a energia, mas estamos esgotando as fontes mais facilmente utilizáveis. Isso não é uma questão banal.
O fato de algumas formas de energia serem melhores do que outras (mais nobres que outras) é uma conseqüência de uma coisa chamada Segunda Lei da Termodinâmica. Esse é um assunto muito, muito interessante. O calor, particularmente, não é uma dessas formas boas de energia. É fácil de se converter outras formas de energia em calor, mas não é muito fácil (ou eficiente!) converter calor em outras formas de energia como a elétrica e a química. Nós, cidadãos do mundo, estamos usando as formas de energia mais fáceis de se consumir em uma taxa relativamente alta e pode-se apostar que um dos principais problemas para o próximo século será o que fazer quando as fontes de energia mais à mão tiverem se esgotado completamente. Você acha que a gasolina, que vem do petróleo, vai durar para sempre? Gasolina não é um produto renovável! A que existe, ainda existe, mas está acabando ...

Um outro problema em relação a energia que tem se destacado bastante na imprensa ultimamente é o efeito estufa. A Terra obtém a energia radiante do Sol e devolve essa energia radiante de volta para o Espaço. Se a mesma quantidade que chega vai embora, não há nenhum problema. Mas se, como provavelmente está acontecendo agora, a quantidade de energia que chega é maior do que a energia que vai... Bem, nesse caso, o excesso se transforma em energia térmica e o planeta esquenta. A peça-chave é o dióxido de carbono: quanto mais dióxido de carbono na atmosfera, mais difícil é para o calor ir embora. E o dióxido de carbono é o que é produzido na queima de produtos como carvão e petróleo. Nós estamos aumentando a quantidade de dióxido de carbono na atmosfera e parece que ela está esquentando. Não há nenhum consenso geral sobre o quanto o planeta está se aquecendo, mas uma coisa é certa: provavelmente é motivo de preocupação.

E eis uma outra coisa: suponhamos que decidamos fazer algo. Suponhamos que comecemos a tentar limitar a quantidade de carvão e petróleo que queimamos. Isso não seria uma coisa boa por si mesma? Eu diria que vale a pena refletirmos um pouco sobre isso.

Bom sucesso!

 

 

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