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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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