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TÓPICO 2: O SOL E AS FONTES DE ENERGIA
Autor: Márcio Quintão Moreno

CONTEÚDO DO MÓDULO:  O SOL E AS FONTES DE ENERGIA

7. O interior da Terra

Nosso conhecimento do interior da Terra é indireto e até hoje muito limitado, devido à impossibilidade de penetrar até grandes profundidades. As principais fontes de informações para esse conhecimento são as ondas geradas pelos terremotos (chamadas ondas sísmicas) e registradas nos aparelhos denominados sismógrafos, os quais revelam que essas ondas são de dois tipos: as longitudinais e as transversais. As ondas longitudinais podem penetrar nos sólidos, líquidos e gases, mas as transversais só se transmitem nos sólidos; o estudo do comportamento das ondas sísmicas revelou que existem regiões no interior da Terra que são sólidas e outras que são líquidas.

Essas regiões formam diversas camadas concêntricas, diferentes umas das outras na composição química e nas propriedades físicas (veja abaixo um esquema simplificado). A primeira camada (denominada crosta terrestre) forma a parte externa da Terra e está em contato com a atmosfera que circunda nosso planeta; nela estão situados os mares e lagos, os continentes e seu relevo. A crosta é rochosa e de espessura variável; na maior parte sua profundidade é de 40 km, mas há lugares onde atinge 70 km.

Logo abaixo da crosta começa a região denominada manto, que se estende até cerca de 2.900 km de profundidade e é formada também de material sólido que pode atingir até 200 km de profundidade. O conjunto crosta terrestre + manto superior é chamado litosfera, o que significa camada rochosa, porque ela consta de enormes blocos maciços mas separados, que se denominam placas tectônicas, as quais flutuam sobre um material parcialmente fundido e pastoso. As placas tectônicas podem mover-se muito lentamente e se chocam umas com as outras, o que provoca os terremotos, as falhas geológicas, montanhas, vulcões e fontes termais.

Os mineradores sabem, há muitos séculos, que a temperatura aumenta à proporção que se desce no interior da Terra. Na interface da crosta com o manto ela atinge 100 oC e continua subindo daí em diante.

Abaixo do manto existe a camada que se chama núcleo externo, cuja espessura se estende entre as profundidades de 2.900 e 5.100 km; é formada por material metálico em estado pastoso e em movimento violento, cuja temperatura pode chegar talvez a 3.500 oC na interface com o manto.

Finalmente, há o núcleo interno, esfera cujo raio é de uns 1.250 km e que se supõe seja sólido e constituído de ferro e níquel; sua temperatura deve alcançar 5.000 oC ou mais e suporta uma pressão de milhões de atmosferas.

8. Fontes de energia renováveis e não renováveis

As reservas conhecidas de petróleo, carvão mineral e gás natural são hoje, graças ao aperfeiçoamento das técnicas de exploração, muito superiores às de meio século atrás, porém o consumo desses combustíveis aumentou em proporção maior e continua crescendo, porque o petróleo, além de utilizado como combustível, tornou-se também matéria prima para a fabricação de inúmeros produtos, desde sacolas para embalar produtos até peças para inúmeras  finalidades.

Como a Terra e os recursos naturais maturais que existem nela são finitos, está claro que, se continuar o atual ritmo de consumo, as reservas de combustíveis fósseis fatalmente se esgotarão. Prevê-se que esse esgotamento ocorrerá dentro de 30 anos (segundo os pessimistas) ou no máximo em 60 anos (opinião dos otimistas), mas é inevitável. Os depósitos de combustíveis fósseis são pois fontes não renováveis de energia, por ser  impossível formar novas reservas desse tipo.

Além disso, os combustíveis fósseis apresentam um grave inconveniente: sua combustão acarreta a dispersão na atmosfera de várias substâncias nocivas, entre elas o gás carbônico (CO2). Esse gás, que é produzido pelas indústrias em todo o mundo, atinge bilhões de toneladas a cada ano e se acumula na atmosfera terrestre, gerando um efeito muito prejudicial: o efeito de estufa nocivo, descoberto por um químico sueco há mais de cem anos, pouco depois de começar o uso do petróleo como combustível. O efeito estufa consiste na acumulação do gás carbônico na atmosfera numa quantidade tal que impede a dispersão do calor produzido pela irradiação solar e pela atividade humana; o resultado é o aquecimento lento mas contínuo da atmosfera e da superfície terrestre, ocasionando o derretimento progressivo das geleiras existentes nas regiões polares e nas montanhas muito altas e por fim a elevação do nível dos oceanos; todo o clima de nosso planeta será afetado e muitas espécies animais e vegetais serão extintas por esse processo.

Está claro portanto que é de importância vital para a humanidade que sejam desenvolvidas e utilizadas cada vez mais as fontes renováveis de energia, isto é, as que possam ser empregadas sem o risco de exaustão.

A primeira fonte renovável de energia é a própria energia solar, embora essa afirmação pareça contraditória com o que foi dito antes. O Sol é uma estrela condenada a extinguir-se, pois a radiação que ele produz resulta de ele “queimar” a matéria de que é formado à fantástica taxa de 5 milhões de toneladas por segundo. O tempo de “vida” que lhe resta, entretanto, é ainda extremamente grande para os padrões humanos: cerca de 5 bilhões de anos; em vista disso, ele pode ser considerado uma fonte renovável de energia.

A energia hidráulica e a energia eólica (isto é, produzida pelo vento) são igualmente formas de energia renováveis. O aproveitamento da energia eólica ganhou grande impulso nos últimos anos, graças ao desenvolvimento de turbinas eólicas eficientes; em alguns países, como a Dinamarca e a Alemanha, elas já fornecem uma parcela considerável da energia elétrica neles consumida.
 As células solares efetuam a transformação da energia solar diretamente em eletricidade; são hoje relativamente comuns os painéis solares com elas formados, utilizados para aquecimento de água. Embora tenham baixa eficiência, são um recurso promissor porque muitas empresas estudam ativamente  seu aperfeiçoamento.

A energia nuclear é outra fonte de energia renovável independente do Sol. Os reatores nucleares são equipamentos dispendiosos e complexos Tal como os combustíveis fósseis, sua utilização produz subprodutos indesejáveis que constituem o lixo nuclear.  A manipulação e eliminação desse lixo criam problemas muito difíceis de serem resolvidos, mas tem havido progressos consideráveis no seu tratamento. Pode-se esperar que, em futuro não muito distante, os reatores nucleares constituirão uma fonte de energia não apenas renovável, mas também confiável e bastante “limpa”, embora sejam condenados atualmente por ecologistas extremados.

QUADRO 4 - O URÂNIO E OUTROS COMBUSTÍVEIS

O urânio é um dos elementos químicos de maior densidade (muitas vezes se diz que é dos “mais pesados”). Um quilograma de urânio ocupa um volume pouco maior que uma bola de tênis. Quando utilizado completamente como combustível num reator nuclear, para produzir energia, 1 kg de urânio produz a mesma energia que as seguintes quantidades de outros combustíveis: 3.000 toneladas de carvão (cerca de 60 vagões ferroviários) 12.000 toneladas de petróleo (cerca de 75.000 barris) Conforme esses dados, a utilização dos reatores nucleares impede que, para produzir a mesma energia, sejam lançados na atmosfera milhares de quilogramas de resíduos da queima do petróleo ou do carvão, o que aumenta a poluição atmosférica e agrava o aquecimento do globo terrestre. Mas os reatores nucleares também produzem rejeitos (o “lixo nuclear”) que igualmente apresentam sérios inconvenientes.

Outra fonte de energia renovável, ainda pouco utilizada, mas cuja importância vem crescendo, é o biogás. Este é um combustível derivado da biomassa, isto é, de seres vivos, que, sob o aspecto da energia, podem ser produtores (as plantas); consumidores (os animais que se alimentam delas, direta ou indiretamente) e decompositores (tais como as bactérias e os fungos, que transformam plantas e animais mortos em substâncias simples capazes de serem reciclados como nutrientes). Exemplos: o gás produzido pela fermentação de lixo orgânico, pela decomposição de esterco animal ou de resíduos de colheitas agrícolas e do processamento de alimentos. Essa fermentação produz um gás rico em metano (CH4), que é inflamável e pode ser aproveitado como fonte de energia.

Além disso, esse processo poderá contribuir fortemente para resolver um dos problemas mais sérios que enfrentam as cidades, sobretudo as grandes, que é o destino do lixo. A utilização do biogás é um reprocessamento, semelhante ao que é adotado, por exemplo, com vidro, papel e latinhas de cerveja e refrigerante etc., o que ajuda a poupar recursos naturais limitados e tem considerável valor econômico.

Nosso País tem prestado importante contribuição ao combate à poluição atmosférica e ao aquecimento global com a adoção do álcool combustível, programa iniciado pioneiramente há cerca de trinta anos, com sucesso crescente. O uso do álcool combustível compensa parcialmente – mas só parcialmente – o crime que temos cometido repetidamente com as queimadas, principalmente na floresta amazônica, onde a cada ano mais de 20.000 quilômetros quadrados são transformados em cinzas – que vão poluir diretamente o ar e nos privam da produção de oxigênio pelas árvores.

O sonho dos físicos e engenheiros, em termos de conseguir reservas praticamente ilimitadas de energia, é a conquista da fusão nuclear dos elementos leves. A energia do Sol origina-se na fusão nuclear, que consiste na combinação dos núcleos de dois elementos de baixo número atômico, em geral hidrogênio e hélio (veja o quadro 5). Ainda não se sabe como controlar a fusão nuclear, tarefa extremamente difícil que está sendo pesquisada em grandes laboratórios de vários países. As imensas despesas necessárias nesses estudos são justificadas pelo fato de os elementos leves serem os mais abundantes do universo; aprender a controlar a fusão nuclear garantirá à humanidade uma fonte de energia que só se esgotará com o fim do próprio universo.

QUADRO 5 - ORIGEM DA ENERGIA DO SOL

No Sol e nas outras estrelas as temperaturas são elevadíssimas. Na superfície do Sol ela é de uns 6.000oC e no seu interior chega a milhões de célsius. Nessas condições, os átomos se chocam continuamente uns com os outros, com grande violência, e seus núcleos sofrem uma transformação denominada fusão nuclear, na qual eles se combinam, formando núcleos de outro elemento químico e de maior massa. A massa dos núcleos resultantes é menor que a soma das massas dos núcleos originais e a diferença entre elas aparece como uma  imensa energia,  que o Sol emite como radiação eletromagnética. Uma parte pequeníssima dessa energia que recebemos na Terra é responsável por toda a vida aqui existente. O processo mencionado ocorre com os núcleos de hidrogênio, que se combinam e produzem o elemento hélio, além de liberar energia. Essa transformação é simbolizada da seguinte maneira:                              1H1 + 1H1 + 1H1 + 1H1   4He2 + energia, que significa: 4 núcleos de hidrogênio se combinam e formam 1 núcleo de hélio e liberam certa energia. O índice superior (à direita) no símbolo de cada elemento químico indica o número de elétrons de seu átomo; o índice inferior (à esquerda) indica o número de prótons e de nêutrons de seu núcleo. Portanto 1H1 indica que o átomo de hidrogênio possui 1 próton em seu núcleo e 1 elétron na parte externa; 4He2 significa que o átomo de hélio é constituído de 2 prótons e 2 nêutrons no núcleo e 2 elétrons na parte externa. Em um átomo neutro (isto é, não carregado eletricamente), o número de prótons no núcleo é sempre igual ao número de elétrons. As experiências de física revelam que a massa do núcleo de hélio (4He2) é sempre menor do que a soma das massas dos quatro núcleos de hidrogênio, a diferença manifestando-se como energia. Esse fato foi pela primeira vez compreendido por Albert Einstein, que representou o processo pela equação: E = Δm.c2 Essa equação significa que a radiação eletromagnética transfere inércia do corpo que a emite para o corpo que a absorve. Ela não significa que haja transporte de matéria (átomos, moléculas, etc.) de um corpo para outro: o que se transfere entre eles é inércia ou massa.

           

É oportuno mencionar, finalmente, que não apenas certas fontes de energia se esgotarão em futuro relativamente próximo. Há outros recursos igualmente importantes para a humanidade, no aspecto econômico, e que também não são renováveis: é o caso dos minerais, das florestas, do pescado, que se constituíram ao longo de enormes períodos de tempo desde que a Terra se formou. Esses recursos só podem considerar-se renováveis a longo prazo e desde que sejam geridos com grande prudência para evitar sua exploração exagerada e incompetente, a curto prazo, como está acontecendo na atualidade.

9. As máquinas térmicas

 Podemos utilizar a energia calorífica dos combustíveis de duas maneiras. A primeira é em casos como ao cozinhar num fogão a gás ou a lenha, ou ao soldar peças com um maçarico, quando a energia calorífica da combustão é aplicada diretamente nas panelas ou nas peças que serão soldadas.

A segunda maneira é quando devemos transformar a energia térmica da combustão em energia mecânica, isto é, quando a finalidade é produzir movimento. É o que acontece nos motores dos automóveis, ônibus, locomotivas, aviões, navios e centenas de outros tipos de aparelhos destinados a transportar pessoas ou cargas.

Máquina térmica é o nome genérico de qualquer aparelho, como os mencionados acima, destinado a transformar a energia da combustão em movimento. Todas as máquinas térmicas têm uma característica comum: nelas a combustão, que acontece sempre em temperatura superior à do ambiente (por exemplo, a centenas de graus no caso da explosão da gasolina nos motores dos automóveis) produz resíduos que têm de ser eliminados direta ou indiretamente no ambiente; embora a temperatura desses resíduos seja inferior à da combustão, ela em geral está acima da temperatura ambiente. Além disso, a própria máquina térmica também se aquece ao funcionar, fato do qual todos temos conhecimento.

Em qualquer caso, seja ao expulsar os resíduos da combustão, seja ao esfriar, toda máquina térmica contribui inevitavelmente para aquecer o ambiente em que opera. Essa situação é às vezes denominada poluição térmica, para exprimir o fato de que o aquecimento desnecessário da atmosfera é um resultado inconveniente, mas inevitável, do uso dessas máquinas, inventadas e operadas por pessoas; as máquinas não são parte integrante do mundo natural.

Outra conclusão, também aplicável a todas as máquinas térmicas, é que uma parte da energia que nelas for aplicada não se transforma em movimento, mas se perde como calor, que é agitação desordenada das moléculas e não pode ser aproveitada na realização de atividade útil; o aquecimento da máquina está nesse caso. Esta é uma lei da natureza a que não podemos escapar. No estudo da Física você aprenderá mais tarde como avaliar quantitativamente a capacidade de uma máquina térmica em transformar energia térmica em trabalho útil. 

10. O que é energia?
Até agora discutimos os combustíveis e as diferentes fontes de energia, mas não foi esclarecido o que é energia. Acontece que a energia é uma propriedade da qual não temos percepção direta, ao contrário da luz, do som, do peso e outras características dos corpos e das transformações que ocorrem interminavelmente no mundo, por isso não é fácil defini-la. Repare que a mesma situação se verifica com outros conceitos que utilizamos com freqüência, embora não sejamos capazes de defini-los com exatidão e clareza, mas nem por isso deixamos de usa-los; por exemplo: beleza, democracia, liberdade, bondade, patriotismo e uma infinidade de outros.

No caso da energia, a compreensão do seu significado exato será conseguida aos poucos, à medida que prosseguir o estudo da Física. A energia é uma idéia que foi descoberta gradualmente pelos cientistas e engenheiros ao investigar o mundo material. Desde já, porém, pode-se afirmar que a energia não é algo material, tal como um líquido ou um gás, isto é, algum tipo de combustível que se transmita de um corpo ou de um lugar a outro.

O que leva a pensar que a energia seja alguma coisa material que passa de um objeto a outro é que, para nos comunicarmos, termos de utilizar a linguagem comum, mesmo em ciência; por exemplo, neste capítulo falamos repetidamente na energia transmitida pelo Sol à Terra, como se a radiação eletromagnética fosse alguma substância. Devemos considerar, porém, que em ciência as palavras da língua comum adquirem significados diferentes, que só aprendemos a dominar aos poucos.

Outro aspecto importante do conceito de energia é a impossibilidade de ela ser criada ou destruída; podemos apenas transforma-la de um tipo para outro. Dois exemplos, que retratam uma propriedade geral: a transformação da energia calorífica em movimento, nas máquinas térmicas; e a transformação da energia mecânica do vento em energia elétrica, no caso das turbinas eólicas.

As duas propriedades básicas da energia – a de não ser uma substância material e de só podermos transforma-la – não foram demonstradas numa ou em várias experiências de laboratório planejadas especialmente para isso; elas são conclusões a que chegaram muitos cientistas e engenheiros ao longo de numerosos anos de cuidadosas observações e análises.

Desde os primeiros indícios de existência da energia até que ela foi reconhecida como uma propriedade real da natureza, decorreram cerca de dois séculos. Não se surpreenda, portanto, se no momento você ainda não entendeu o que é energia: você está em boa companhia, a dos físicos, químicos e engenheiros que durante muito tempo lutaram para compreender essa idéia.

Vale a pena recordar um argumento apresentado por um físico holandês para mostrar que a energia é algo real: ele nos lembra que em quase todos os países o código penal prevê o furto de energia e estabelece penalidades para quem cometer esse crime...

1. As máquinas térmicas, como foi explicado no texto, são utilizadas no mundo todo em grande número com a finalidade de
a)produzir calor destinado a aquecer o ambiente;
b) movimentar cargas pesadas de modo econômico porque poupam os combustíveis fósseis;
c) podem ser alimentadas  com combustíveis que se queimam apenas em temperaturas muito elevadas;
d) transformar energia térmica em movimento, com a queima de determinados materiais.  

2.O urânio utilizado em um reator nuclear é denominado elemento combustível porque
a)provoca combustão em todo material colocado no reator;
b) combina-se com o oxigênio atmosférico, provocando combustão;
c) gera vapor d’água que pode aquecer o reator;
d) nenhuma das respostas anteriores  é satisfatória.

3.Os combustíveis fósseis se relacionam com a fotossíntese, na qual a radiação solar sobre as plantas é a fonte de energia, porque
a) todos os seres vivos, de um modo ou outro, se alimentam de plantas;
b) a fotossíntese permite a  formação de moléculas orgânicas, constituintes de todos os seres vivos;
c) as plantas absorvem dióxido de carbono e contribuem para despoluir a atmosfera;
d) todas as alternativas anteriores são verdadeiras.

4. Os antigos moinhos de vento e as turbinas eólicas da atualidade podem ser consideradas máquinas térmicas?
a)Sim, porque o vento se origina em diferenças de temperaturas entre regiões da Terra;
b)Não, porque em nenhum dos dois casos a radiação solar é utilizada;
c) Sim, porque os eixos e outras partes desses aparelhos se aquecem quando eles funcionam;
d) Não, porque nelas não existe combustão para que esses aparelhos funcionem.

5. Várias camadas do interior da Terra encontram-se a temperaturas muito elevadas, porém na maior parte da crosta terrestre predominam temperaturas brandas, situação que se explica porque
a)as regiões de alta temperatura estão muito distantes da superfície;
b) existem nessas regiões núcleos radioativos que se desintegram constantemente;
c) as camadas mais próximas da superfície são bons isolantes do calor;
d) todas as alternativas anteriores são válidas.

6. Nem sempre compreendemos de imediato o que significa um número expresso como potência de 10. Suponha que 6x1022 seja o número de centavos de um tesouro e que este fosse repartido igualmente por todos os habitantes da Terra (6 bilhões de pessoas). Quantos reais você receberia?