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.
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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.
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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...
Pode-se acrescentar também outro raciocínio importante: pagamos
pela energia contida na gasolina necessária para movimentar nossos
automóveis e aviões, pelo gás usado em nossas cozinhas, pela
eletricidade que ilumina nossas casas etc.
6. Questões
As
questões abaixo destinam-se a facilitar para aluno a revisão do
capítulo. As respostas corretas serão encontradas na leitura atenta das
seções apropriadas.
1. O petróleo e o carvão mineral denominam-se combustíveis fósseis porque são fontes de energia
a)muito antigas, utilizadas há muitos séculos;
b) não renováveis, por se localizarem a grandes profundidades;
c) constituídas de restos de plantas e animais carbonizados após longo tempo;
d) extremamente poluidoras do ar.
2. As fontes de energia terrestres independentes do Sol
a)podem ser utilizadas nos dias nublados;
b) são alimentadas pelas ondas do mar;
c)resultam de processos naturais independentes da radiação solar;
d) resultam da atividade dos vulcões e gêiseres.
3. As fontes de energia renováveis
a) estão situadas a grande profundidade e seu aproveitamento é muito difícil;
b) dependem da diminuição da radiação solar recebida na Terra;
c) fornecem combustíveis em quantidade limitada que não pode ser aumentada;
d) fornecem combustíveis que poluem fortemente a atmosfera terrestre.
4. Os reatores nucleares produzem eletricidade porque
a)os núcleos atômicos são ricos em energia elétrica;
b) neles todos os elementos químicos se decompõem em eletricidade;
c) os núcleos de determinados elementos químicos se desintegram e produzem grande quantidade de energia calorífica;
d) podem ser alimentados com materiais que se queimam a temperaturas elevadas.
5. O conceito de energia é importante porque é
a)uma propriedade de determinadas transformações dos elementos químicos mais comuns na natureza;
b) uma propriedade que se revela nas transformações incessantes que ocorrem na natureza;
c) uma propriedade de determinados tipos de combustíveis explorados no subsolo;
d) nenhuma das respostas anteriores é satisfatória.
6. Se você tem pouca prática em calcular utilizando potências de 10,
faça o seguinte exercício. Um número como 8.235 pode ser escrito como
8.000+200+30+5, que por sua vez pode ser anotado como 8´103 + 2´102 +
3´101 + 5´100. (Essa é a base do nosso maravilhoso sistema decimal de
numeração). Escreva na mesma forma o número 62.904.873.
