Conversão direta da energia
(Parte6 - Conversões eletroquímicas)

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

D.D.P. e ligações químicas
Se apertarmos um limão para que seu sumo fique livre em seu interior e a seguir espetamos nele duas pequenas lâminas, uma de zinco e outra de cobre poderemos medir uma diferença de potencial entre os  dois metais. Os elétrons passam por uma carga exterior sem a necessidade de aquecermos lâminas ou limão ou mesmo dar algum movimento a essas partes. 
A 'pilha' química foi o primeiro aparelho de conversão direta. Esta foi durante 2 centenas de anos a única fonte de corrente elétrica contínua de que dispunham os cientistas. Como pilhas e baterias funcionam sem necessidade de calor é lógico perguntar-se de onde procede a energia que provoca a passagem de corrente elétrica. A  bateria não tem semicondutores porém, do mesmo modo que o par termelétrico e o diodo termiônico, seus eletrodos são de materiais diferentes. Também utiliza um líquido ou sólido condutor que permita a passagem da corrente entre os eletrodos. No exemplo do limão, o cobre e o zinco são os eletrodos e o sumo do limão é o líquido condutor ou eletrólito, que fornece íons positivos e negativos. A bateria obtém sua energia de seu complemento de combustível químico.
A d.d.p. se deve à distinta intensidade das ligações químicas. A ligação química tem natureza eletrostática: há átomos que apresentam afinidades elétricas mais intensa que outros.

Reações químicas nos geradores eletroquímicos
Observemos as seguintes reações química que têm lugar nas baterias mais comuns e em algumas pilhas eletroquímicas de alimentação constante (das quais daremos mais detalhes adiante):

Em princípio, todas essas reações são análogas à que têm lugar dentro do limão, ainda que cada tipo de pilha apresente diferentes valores em sua f.e.m. (força eletromotriz, grandeza interna), ou na d.d.p. entre seus terminais (grandeza externa). Isso se deve às distintas 'afinidades' químicas dos átomos e moléculas que intervêm em cada reação. Existem literalmente centenas de materiais que podem servir de eletrólitos e de eletrodos. 
Não temos que fornecer calor para romper essas ligações químicas ou retirá-lo para a sua reconstrução numa bateria eletroquímica; ela sempre converterá energia química em energia elétrica (e vice-versa, em muitos casos). A energia da reação química passa à carga exterior com um rendimento quase igual a 100%. Nesse caso, não existe a limitação do ciclo de Carnot; só atuam forças eletrostáticas "frias".
No entanto, essas reações químicas não duram indefinidamente porque a bateria tem uma quantidade muito limitada de combustível. Chega um instante em que esse combustível foi totalmente consumido e a d.d.p. cai a zero (cuidado! Não a f.e.m.!). 

A eletrodinâmica explica isso, para a tradicional bateria, de um modo bastante simples, avaliando a 'resistência interna' (r): 

a- no início a resistência interna (r) é  pequeno (muito soluto na solução) e a d.d.p. entre os seus terminais alimenta uma carga externa (R) fixa é:  U = E - r.i , com E = constante;
b- durante o uso a resistência interna (r) vai aumentado (porque a quantidade de soluto na solução vai diminuindo) e, com isso a 'queda de tensão interna' (r.i) vai aumentado, determinando uma diminuição na d.d.p. (U);
c- no final, a resistência interna adquire um valor tal que o produto r.i torna-se igual a E, anulando o valor da d.d.p. (U). Quando (r) assume tal valor é porque, praticamente, não há mais soluto na 'solução' (torna-se praticamente água pura -- não condutora --).

Todos esses inconvenientes das pilhas e baterias podem ser evitados na 'pilha eletroquímica de alimentação contínua', onde há um fornecimento contínuo de combustível.

Um velho conhecido no espaço extraterrestre
Praticamente todo satélite e veículo interplanetário leva a bordo uma bateria química, cuja função não consiste tanto em produzir energia elétrica continuamente e sim desempenhar o papel de 'acumulador elétrico recarregável', para fornecer energia elétrica quando a carga passa por um máximo. Também se necessitam dessas baterias convencionais que armazenam energia química para serem usadas nos períodos nos quais as pilhas solares não recebem luz do sol devido à sombra da terra e, por conseguinte, não funcionam. Para tais aplicações a antiga bateria continua sendo muito útil à ciência moderna.

Pilha eletroquímica de alimentação contínua 
A bateria comum tem um parentesco muito próximo com a pilha eletroquímica de alimentação contínua. A diferença fundamental entre as duas consiste em que na última existe um fornecimento contínuo de combustível. A pilha de hidrogênio-oxigênio ilustrada abaixo é um exemplo típico.

Fig.11- O diagrama mostra o funcionamento de uma pilha eletroquímica de hidrogênio-oxigênio. A bateria química funciona do mesmo modo porém as substâncias químicas são distintas e não há um fornecimento contínuo proveniente do exterior. A água produzida por essa pilha H-O pode ser utilizada para beber nos veículos interplanetários.

Fundamentalmente queima hidrogênio e oxigênio para formar água. Ao se conseguir uma alimentação contínua de hidrogênio e oxigênio e uma extração contínua da água produzida, a vida da pilha pode prolongar-se consideravelmente. Isso se consegue facilmente na pilha eletroquímica de alimentação contínua, cujos princípios físicos, como já dissemos, são idênticos aos da bateria comum.

Provavelmente a tarefa mais  difícil e interessante que poderão desempenhar essas pilhas será a de combinar o oxigênio da atmosfera com carbono, quer em seu estado natural ou ligeiramente elaborado, gás e combustíveis derivados do petróleo. Se se tornar possível fabricar pilhas eletroquímicas que utilizem estes combustíveis tão abundantes, o elevado rendimento inerente às pilhas as tornará muito superiores, desde o ponto de vista econômico, às centrais elétricas térmicas que prestam serviços na atualidade.

Até o momento temos falado da pilha eletroquímica como sendo um sistema de conversão frio que não está limitado pelo rendimento de Carnot. Entretanto, outro aspecto pode ser considerado. Imaginemos uma pilha de iodeto de hidrogênio (HI) cuja temperatura elevamos até os 2 000 K. Nas grandes velocidades que alcançam tais moléculas nessa temperatura, muitas delas se chocarão entre si e se dissociarão em hidrogênio e iodo: 2HI = H₂ + I₂ ; quanto mais elevada for a temperatura maior será a dissociação. Se separarmos o hidrogênio e o iodo no estado gasoso e retornamos a introduzir na pilha, na qual se recombinam, haveremos eliminado o problema do fornecimento de energia e criaríamos uma pilha regenerativa. Mas, teríamos voltado a introduzir a máquina térmica e a obediência do ciclo de Carnot. A pilha térmica regenerativa é uma autêntica máquina térmica que utiliza como fluido um gás que se dissocia.

Os maiores incentivos para se conseguir uma pilha praticável provém de programas espaciais. No momento são os mais interessados. Tal pilha terá magníficas propriedades para as missões espaciais que durem menos de um mês. É uma fonte limpa e sem vibrações. Se for utilizada a pilha de Bacon do tipo H-O (essa que ilustramos), tal servirá inclusive para produzir água potável para a tripulação do veículo.

Nossa questão de finalização de tema:
Um veículo interplanetário tripulado necessita uma potência média de 2 kW. Um gerador termelétrico aquecido por um reator nuclear, cuja massa total (incluindo a blindagem) é de 1 000 kg, pode produzir a energia necessária durante 10 000 horas. A pilha eletroquímica básica tem massa de 50 kg e consome 0,5 kg de reagentes por hora. Os depósitos de reagentes têm massa de 25 kg.
Qual é a máxima duração da missão com a qual a massa total da pilha permaneça inferior  a da central nuclear?

Segue: Conversão Direta - Parte 7 : Pilhas Solares