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Conversão direta da energia
(Parte1 - Conversões dinâmica e direta)

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

Introdução
Uma pilha de lanterna converte energia sem apresentar partes móveis; converte a energia química de seus componentes diretamente em energia elétrica.
Os primeiros dispositivos de conversão direta de energia, como a pilha de Volta inventada em 1795, abasteceram de 'eletricidade' os cientistas Ampère, Oersted e Faraday para seus fins experimentais. As lições que eles aprenderam sobre a energia elétrica e suas íntimas relações com o magnetismo foram o gérmen dos potentes geradores turboelétricos (turbinas hidrelétricas e de vapor) que hoje abastecem de energia elétrica a civilização moderna.

A pilha de Volta foi aperfeiçoada, derivando disso vários tipos de pilhas e baterias, das quais nos servimos por ser uma fonte pequena e geralmente portátil porém, com o advento da energia nuclear e da exploração espacial, tem-se prestado grande atenção aos novos métodos possíveis de conversão direta da energia.
Para se desfrutar da energia no espaço ultraterrestre, assim como nos lugares remotos e isolados na Terra, necessitamos de fontes de energia seguras, leves e que possam funcionar durante muito tempo sem necessidade de reparos ou manutenções. As centrais nucleares que utilizam técnicas de conversão direta prometem superar as fontes de energia clássicas nesses aspectos. Além disso, o funcionamento silencioso que caracteriza as centrais de conversão direta constitui uma vantagem importante para muitas aplicações militares.
Dentro do programa norte-americano, SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power - Sistemas auxiliares de Energia Nuclear) da CEA (Comissão de Energia Atômica) já se fabricam geradores de energia, com reatores ou isótopos, que utilizam processos de conversão direta. Alguns desses aparelhos são utilizados na atualidade como fontes de energia de satélites, de estações meteorológicas no Ártico e na Antártica e de bóias para navegação.

Predomínio da  conversão dinâmica
Vivemos num mundo de movimentos. Uma das principais tarefas dos engenheiros consiste em encontrar sistemas melhores e mais eficazes de transformar a energia da irradiação solar ou a de outros combustíveis, como o carbono ou os núcleos de urânio, em energia mecânica. Quase toda a energia disponível no mundo se transforma, atualmente, por meio de máquinas giratórias ou alternantes. A energia liberada na explosão da mistura gasolina/ar, por exemplo, é acoplada às rodas dos automóveis por meio de máquinas alternantes (virabrequim - biela/manivela). O turbogerador de uma central hidrelétrica extrai energia mecânica da água em queda e a converte em energia elétrica. Essas máquinas giratórias ou alternantes recebem o nome de conversores dinâmicos.

Um refinamento: a conversão direta
Há uma revolução em marcha. Já sabemos que podemos obrigar aos elétrons portadores de 'calor' e carga elétrica que integram a matéria a nos entregar sua energia sem a necessidade de recorrer a eixos, manivelas ou pistões. Isso constitui um dos maiores êxitos da tecnologia moderna; a transformação da energia sem a necessidade de partes móveis, que recebe o nome de conversão direta.

Os termoelementos que aparecem na fig.1a ilustram bem o contraste entre a conversão dinâmica e a direta: esses elementos transformam diretamente o calor em 'eletricidade' sem necessitar de nenhum dos mecanismos intermediários que participam de um turbogerador como o da fig. 1b.

Fig.1 - Os aparelhos de conversão direta, como os elementos termoelétricos de telureto de chumbo (em forma de raios de roda) contidos no gerador de energia a base de isótopos (SNAP 3, na figura acima, com potência menor que 5 W), transformam o calor em 'eletricidade' sem partes móveis. Pelo contrário, o conversor dinâmico (SNAP 2, na figura abaixo, com potência de 3000 W), leva uma turbina de alta velocidade, um gerador elétrico e bombas para transformar o calor em 'eletricidade'. O NaK indicado é uma mistura de sódio e potássio em forma líquida.

Por que se deseja a conversão direta?
Há locais nos quais as máquinas de transformação de energia devem funcionar durante anos, sem avarias nem manutenção. Do mesmo modo, há situações onde se requerer a máxima segurança possível, como é o caso dos satélites de pesquisa e sobretudo nos vôos interplanetários de veículos tripulados por humanos. Nestes casos, os dispositivos de conversão direta parecem oferecer mais garantias que as máquinas de conversão dinâmica. Devemos salientar, entretanto, que nossa 'fé' na superioridade da conversão direta se deve mais á intuição que a existência de provas. É certo que num conversor direto nunca teremos problemas com a quebra de uma biela ou com a falta de lubrificação mas também é certo que algumas falhas nas fontes de energia dos satélites ocorreram, principalmente devido á degradação das baterias solares sob os bombardeios de prótons provenientes do Sol.

Os diversos aparelhos de conversão direta, como os que descreveremos nesse trabalho, também poderão se danificar por causas ainda desconhecidas até o momento porém, os conhecimentos que delas temos hoje nos permite assegurar que será mais segura e mais garantida que a conversão dinâmica. Já se utilizam hoje dispositivos de conversão direta em pequenos geradores de energia com potência inferior a 500 watts, projetados para funcionar durante muito tempo no espaço extraterrestre e no fundo do oceano. E, não tenho dúvida, chegará o dia em que as grandes centrais elétricas utilizarão a conversão direta para melhorar seu rendimento e sua disponibilidade.

Como se transforma a energia?
Que é energia e como pode ser transformada? A energia é uma idéia fundamental da Ciência que supõe uma capacidade de realizar trabalho. A forma mais evidente de energia é a energia cinética ou de movimento. Sua definição formal é:

Ecin = (1/2)mv2

onde Ecin é a energia cinética expressa em joules, m é a massa do corpo em movimento expressa em quilogramas e v é a velocidade do mesmo expressa em metros por segundo.

A energia também pode encontrar-se armazenada em substâncias químicas, ou nucleares ou ainda nas águas de uma represa. Nesses estados latentes ela se denomina energia potencial.

Se uma substância é rica em energia potencial e está puder ser libertada com facilidade, dita substância recebe o nome de combustível.

Matriz de conversão de energia
As formas de energia são intercambiáveis. Quando se queima gasolina em um motor de automóvel sua energia potencial se transforma em calor. Em continuação, uma parte desse calor, digamos um 20%, se converte em movimento mecânico. O restante do calor se desperdiça e deve ser extraído do motor (caso contrário, cumulativamente, o motor irá se fundir).
Já foram descobertos inúmeros processos e aparelhos para transformar uma forma de energia em outra; muitos deles estão indicados nos casulos da fig.2, nossa matriz de conversão de energia.

Fig.2 - Matriz de conversão de energia. Para verificar como se transforma uma forma de energia em outra, selecione-a na coluna adequada (DE) e desça até encontrar a intersecção com a fila que deseja (EM). O casulo na intersecção contém os processos típicos de transformação e alguns exemplos.

Para exemplificar como se utiliza essa matriz vamos seguir as transformações energéticas que intervêm em um motor de automóvel. Começamos pela energia transportada pela radiação solar porque todos os depósitos de carvão e de petróleo (combustíveis fósseis) receberam sua carga inicial de energia em forma de luz solar.
Portanto, a primeira conversão consiste na transformação da energia eletromagnética (radiação solar) em energia química mediante fotossíntese nos organismos vivos. Seguimos a transformação descendo a coluna encabeçada com "Eletromagnética" até cruzarmos com a fila horizontal com o título "Química". No casulo da intersecção encontramos a 'fotossíntese'. A conversão seguinte consiste na transformação da energia química em energia térmica, por combustão. Descemos pela coluna da energia "Química" até encontrar a fila da energia "Térmica", em cujo casulo se lê 'combustão'. A terceira e última conversão tem lugar quando a energia térmica se transforma em energia mecânica através do motor de combustão interna: coluna "Térmica" x fila "Cinética" = 'combustão interna' (motor).

Usando-se repetidamente dessa matriz de conversão da energia, como foi indicado, podemos seguir qualquer transformação energética.
Propomos dois exercícios:

1- Continue com o exemplo do automóvel e utilize a matriz duas vezes mais para mostrar como se transforma a energia mecânica ("Cinética") em energia química armazenada na bateria do veículo. Resposta no final desse trabalho

2- Se um grama de gasolina libera 48 000 J de energia térmica  quando se queima misturada com ar, que velocidade poderá proporcionar a um automóvel de 1 000 kg? Suponha que o automóvel parte do repouso e que o motor tenha um rendimento de 25%. Resposta no final desse trabalho


Segue: Conversão Direta - parte 2 : Leis que regem as conversões de energia


 


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