TÓPICO 2 - O SOL E AS FONTES DE ENERGIA

TÓPICO 2: O SOL E AS FONTES DE ENERGIA

CONTEÚDO DO MÓDULO: O SOL E AS FONTES DE ENERGIA

1. Habilidade

Reconhecer o Sol como nossa principal fonte de energia e origem de quase todas as fontes de energia existentes na Terra.

2. Detalhamento da habilidade

2.1 - Compreender a associação entre a energia solar e os processos que ocorrem na natureza, como formação dos combustíveis fósseis, crescimento das plantas, chuvas e ventos, clima etc.

2 .2 - Saber que o Sol é uma fonte quase inesgotável de energia e que a energia por ele irradiada tem origem na fusão nuclear.

2.3 - Saber que na fusão nuclear os núcleos de átomos de hidrogênio são fundidos, resultando na produção de átomos de hélio e de energia radiante.

2.4 - Saber que na fusão nuclear ocorre conversão de massa em energia de acordo com a equação E = Δm.c2 (E = energia, Δm = variação da massa, c = velocidade da luz no vácuo).

2.5 - Compreender que existem poucos tipos de fontes, mas uma grande diversidade de manifestações da energia.

2.6 - Identificar as diferentes fontes de energia (o Sol, a eletricidade, o petróleo, o carvão etc.) e os processos de transformação da energia presentes na vida cotidiana.

2.7 - Distinguir fontes de energia renováveis e não-renováveis e porque algumas são renováveis e outras não.

2.8 – Reconhecer a necessidade de utilizar prioritariamente as fontes de energia renováveis.

2.9 – Distinguir combustíveis fósseis e não-fósseis.

2.10 – Compreender que a energia não é um combustível ou outro tipo de substância.

3. Orientações para o aluno

Este módulo didático contém um texto, uma lista de exercícios e uma de questões; há também a indicação de várias fontes de consulta, que permitem ampliar e aprofundar o conhecimento dos assuntos tratados. Logo depois de ler o texto, você deve tentar responder às questões e resolver os problemas propostos, atividades que são muito importantes para assimilar a matéria deste módulo.

4. O Sol é a principal fonte de energia na Terra

Para nós, habitantes da Terra, o Sol é a estrela mais importante dos bilhões de estrelas que existem no Universo, pois dele recebemos toda a energia necessária à vida, tanto da humanidade como dos animais e vegetais.

Neste tópico vamos estudar algumas propriedades da energia que recebemos do Sol e como ela cria diversos tipos de fontes de energia em nosso planeta. Esse conhecimento provém do estudo cientifico, que já dura vários séculos e continua ainda hoje, do mundo físico em que vivemos.

A energia que recebemos do Sol, chamada radiação solar, é emitida incessantemente por ele e sua natureza é a mesma da luz, das ondas de rádio, das radiações que utilizamos nos fornos de micro-ondas e na telefonia, entre outros dispositivos que fazem parte do nosso dia-a-dia. Esses são diversos tipos de radiação eletromagnética, que diferem uns dos outros por uma propriedade

fundamental: a freqüência, que é o número de vibrações (ou ciclos) por segundo realizados em cada ciclo; por exemplo, a luz, ou radiação visível, tem freqüência muito alta, de muitos bilhões de ciclos/s (em torno de 1015), enquanto a radiação das emissoras FM está na faixa de 10 6 ciclos/s. (Leia o quadro abaixo).

Outra propriedade importante da radiação solar é que, qualquer que seja o seu tipo, ela se propaga tanto nas substâncias materiais como no vácuo. É provável que você saiba que não existe nenhuma matéria entre a Terra e o Sol ou qualquer outro corpo celeste; isto não nos impede de vê-los e estudar suas propriedades, o que evidenciaque a radiação eletromagnética se propaga no espaço vazio. Essa propriedade da radiação eletromagnética é oposta à do som, que só pode se propagar em substâncias materiais, não importando se são sólidos, líquidos ou gases.

Além disso, todos os tipos de radiação eletromagnética têm a mesma velocidade no vácuo e no ar: atinge 300.000 km/s, a maior

velocidade conhecida; a radiação solar leva cerca de 8 minutos para percorrer a distância Sol-Terra com essa velocidade. Na água a radiação tem velocidade menor, mas ainda assim enorme, próxima de 200.000 km/s; noutras substâncias materiais a velocidade da radiação eletromagnética também é menor do que no vácuo, mas é sempre muito elevada.

Para podermos compreender a importância da energia que recebemos do Sol, temos de medi-la, pois qualquer propriedade física só tem significado se puder ser medida, isto é, expressa numericamente, numa unidade adequada. No caso da energia, a unidade chama-se joule, cujo símbolo é J. Esta é uma unidade muito pequena para as necessidades diárias; por isso, utiliza-se mais freqüentemente um múltiplo do joule, o kilojoule, cujo símbolo é kJ, mil vezes maior: 1 kJ = 1.000J. (O k minúsculo é uma abreviação para 1.000 e pode ser usado com quaisquer unidades).

Nas embalagens dos alimentos prontos para o consumo (como biscoitos, manteiga, leite, mel, chocolates etc.) é obrigatório informar qual a energia correspondente a uma determinada porção desse alimento e qual a porcentagem que ela representa para a dieta diária mínima, isto é, a quantidade de alimentos que devemos ingerir a cada dia para nos mantermos vivos.

Num pote de manteiga está escrito que 1 colher de sopa dessa manteiga (cerca de 13 gramas) possui a energia de 97 kcal (ou 407 kJ) e fornece 6% da energia que uma pessoa deve ingerir diariamente apenas para manter-se viva (chamada dieta diária mínima). Isso significa que, do ponto de vista energético, 270 gramas dessa manteiga, sem nenhum outro alimento, bastariam para manter viva uma pessoa por 1 dia.

Voltemos à radiação proveniente do Sol. Em cada segundo, 1 metro quadrado da superfície terrestre recebe a energia de 1.400J = 1,4 kJ, que é denominada constante solar e será representada por β. Esse dado pode ser apresentado de maneira mais concisa escrevendo-se β= 1.400 J/s.m2 = 1,4 kJ/s.m2 O cociente J/s (joule por segundo) aparece freqüentemente em Física, porque indica uma propriedade importante das máquinas, denominada potência; elerecebe um nome especial: watt e seu símbolo é W; 1.000 watts = 1 kW. O valor de β acima indicado pode então ser escrito abreviadamente como β = 1,4 k (J/s)/m2 = 1,4 kW/m2

Para efeito de comparação: um ferro elétrico comum de desamassar roupa tem potência de aproximadamente 1,2 kW; a constante solar, portanto, é um pouco maior do que a energia (sob a forma de calor) que o ferro transmitiria durante 1 segundo a uma área de 1 m2. Uma furadeira elétrica tem potência de 750 watts, bem menor, portanto, do que a energia da radiação solar que incide na mesma área em 1 segundo.

Se considerarmos toda a superfície da Terra, a energia E que diariamente nosso planeta recebe do Sol vale cerca de E = 6 x 10^22 J

Para apreender o que significa esse dado numérico, basta compara-lo com a energia elétrica produzida diariamente por todas as usinas geradoras existentes na Terra atualmente, isto é, cerca de 10^18 joules, que é cerca de sessenta mil vezes menor do que a energia que recebemos do Sol em cada dia!

Outro modo de apreciar a magnitude da radiação solar consiste no seguinte. Está claro que o Sol não produz apenas a energia enviada ao nosso planeta, mas também a que se difunde por todo o espaço ao seu redor e que se distribui sobre uma área equivalente à de uma esfera que teria um raio igual à distância Terra-Sol (150 milhões de quilômetros = 1,5x108 km). Um cálculo simples mostra que, por muito grande que seja o valor E acima referido, ele é bilhões de vezes menor do que a energia total produzida pelo Sol em um dia.

5. O Sol e os combustíveis

Um combustível é qualquer substância que, associando-se com o oxigênio, produz calor. A própria palavra combustível já revela o mecanismo pelo qual a energia é produzida: a combustão ou queima, isto é, a reação química na qual a substância se combina com o oxigênio e origina calor. Existem combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. Dos combustíveis sólidos, o mais importante é o carvão mineral, que faz parte dos combustíveis fósseis, os quais são remanescentes de plantas e animais que viveram na Terra há milhões de anos e sofreram no solo um processo de carbonização incompleta, pelo calor e a pressão, durante milhares de séculos.

Esses combustíveis foram todos originados pela ação da energia proveniente do Sol, ao longo da existência de nosso planeta, cuja idade provável é de 4,5 bilhões de anos (4,5 x 109 anos). O processo de formação dos combustíveis fósseis, em linhas gerais, pode ser compreendido lembrando que os animais se alimentam de plantas ou de outros animais que comem plantas. Ora, a vida dos vegetais depende estritamente da radiação solar, graças a um processo de enorme importância que neles ocorre, denominado fotossíntese, que consiste na formação de moléculas orgânicas a partir da água e do dióxido de carbono atmosférico, sendo a luz solar a fonte de energia necessária.

O carvão mineral se apresenta sob vários tipos, dependendo de seu grau de carbonização; ele foi o combustível mais utilizado em todo o mundo até uns 50 anos atrás. No Brasil não existem grandes jazidas desse combustível e as que existem não são de boa qualidade, razão pela qual ele sempre foi pouco utilizado em nosso País. O carvão mineral (também chamado carvão de pedra) não deve ser confundido com o carvão vegetal, muito utilizado em nossas usinas siderúrgicas e que tem sido um dos maiores responsáveis pela destruição de nossas florestas nativas.

O petróleo é um combustível fóssil que se apresenta no estado líquido e tem a mesma origem que o carvão mineral mencionado

acima. Ele é encontrado no subsolo, frequentemente a grande profundidade abaixo da superfície, nos interstícios de rochas porosas, não em “poços” subterrâneos.

Há meio século predominava no Brasil a crença de que não existia petróleo aqui em quantidade apreciável que justificasse o trabalho e os investimentos necessários para ser explorado. Essa suposição foi desmentida pela pesquisa sistemática, que revelou a existência de grandes jazidas desse combustível, principalmente no subsolo marinho, a distâncias relativamente pequenas do litoral. A exploração bem-sucedida desses depósitos tem sido uma grande vitória de nossos engenheiros e operários, graças a tecnologias avançadas de exploração, muitas delas desenvolvidas no Brasil por brasileiros. Mantido o ritmo atual de produção de petróleo em nosso País, em breve seremos autossuficientes em relação a esse insumo essencial para a atividade econômica.

Outro combustível que era pouco utilizado no Brasil e que adquiriu importância há relativamente pouco tempo é o gás combustível, o qual pode ter origem natural, proveniente de depósitos subterrâneos, ou então é fabricado a partir de combustíveis fósseis. O gás de cozinha, que é o combustível doméstico mais utilizado entre nós, deriva do petróleo (é denominado GLP, sigla de gás liquefeito de petróleo).

O gás natural tem adquirido crescente papel como combustível para as indústrias e para abastecimento de automóveis e caminhões. A maior parte do que consumimos desse combustível é hoje importado da Bolívia, mas dentro de alguns anos haverá condições de produzirmos aqui grande parte dele.

QUADRO 1 – A FOTOSSÍNTESE

A FOTOSSÍNTESE

Os alimentos que devemos consumir regularmente, substâncias complexas e essenciais à vida, são as fontes de energia que permitem aos nossos corpos e aos dos animais manter-se aquecidos e praticar as inúmeras atividades que realizam. Se a energia de que dependemos para viver proviesse de um combustível semelhante ao petróleo ou ao carvão, há muito tempo estaria esgotada sua reserva em nosso planeta.

A solução desse problema encontra-se nas plantas verdes, que apresentam uma propriedade notável: a fotossíntese, que só ocorre nelas e em alguns tipos de bactérias. Trata-se de um processo complicado, pelo qual a água e o dióxido de carbono são transformados nos açúcares, proteínas e gorduras de que necessitamos, graças à absorção da radiação solar na clorofila, que é um pigmento verde.

Os organismos animais eliminam água e gás carbônico como rejeitos de seu metabolismo; as plantas absorvem o gás carbônico e eliminam o oxigênio, constituindo a principal fonte de oxigênio no globo terrestre.

Podemos afirmar, então, que nossos alimentos são, em grande parte, luz solar que as plantas verdes sintetizam.

Como a energia é absolutamente indispensável, a humanidade inventou, ao longo de sua evolução, vários recursos para produzir energia que aparentemente não dependem da radiação solar. São exemplos os moinhos de vento e as rodas d´água, aparelhos dos mais antigos usados para produzir energia e foram muito importantes até há alguns séculos atrás. Atualmente, as turbinas eólicas, isto é, geradores de eletricidade movidos pelo vento, e as usinas hidrelétricas, em que a eletricidade é produzida mediante geradores acionados pela queda da água, são os sucessores daquelas antigas instalações.

Mas é fácil nos convencermos de que também nesses casos a radiação solar é o principal agente. Com efeito, os ventos são consequência de diferenças de aquecimento entre regiões da superfície terrestre sob a incidência da luz solar; as quedas d´água, por sua vez, resultam da evaporação da água de rios, lagos e mares, também devido ao aquecimento provocado pela radiação solar, o que  leva à formação de nuvens e à sua precipitação (isto é, chuvas) e a água volta aos lugares de onde havia saído.

6. As fontes terrestres de energia independentes do Sol

Existem em nosso planeta, entretanto, fontes de energia que de fato não dependem da radiação solar: as usinas de maré, as fontes geotérmicas e as usinas nucleares.

As usinas de maré dependem da atração gravitacional exercida pela Lua e pelo Sol sobre a Terra, principalmente sobre as águas oceânicas, o que provoca o conhecido fenômeno das marés, ou seja, o aumento e a diminuição alternados da profundidade do mar perto do litoral, a intervalos de aproximadamente 12 horas.

A operação dessas usinas é explicada no quadro abaixo e pode ser resumida assim: durante a maré alta o nível da água do mar é maior do que o da água represada por uma barragem, na qual estão instalados geradores elétricos. Quando se abrem comportas apropriadas, a água do mar penetra no reservatório e aciona os geradores. O nível da água da represa, no fim da maré alta, é superior ao nível do mar e começa a escoar para ele, durante a maré baixa, acionando de novo os geradores elétricos. A contribuição das usinas de maré para a produção mundial de energia ainda é muito reduzida.

QUADRO 2 – AS USINAS DE MARÉ

As fontes geotérmicas são as que dependem do calor gerado no interior de nosso planeta e que se manifesta nos vulcões, gêiseres e fonte termais. Esse calor provém em parte da formação da Terra, há alguns bilhões de anos, quando sua temperatura era altíssima e desde então tem diminuído lentamente, da superfície para o interior.

O calor interno de nosso planeta também decorre da existência de substâncias radioativas em camadas profundas do globo terrestre. As substâncias radioativas são elementos químicos como o urânio, o rádio, o tório e alguns outros, cujos núcleos atômicos se desintegram e liberam energia que se manifesta como calor. A desintegração radioativa é um fenômeno muito importante, que apresenta a seguinte propriedade especial: não existe nenhuma ação externa – tal como a aplicação de altas temperaturas, de grandes pressões e pancadas, produtos químicos, campos magnéticos ou elétricos – que possam alterar a taxa em que as desintegrações ocorrem.

As fontes termais são fontes de água quente, que emerge da superfície terrestre e pode conter diversos minerais e gases sulfurosos nela dissolvidos. No Brasil, existem fontes termais em numerosas localidades e em nosso Estado são bem conhecidas as de cidades como Araxá, Caxambu e Poços de Caldas, além de outras.

Os gêiseres, que ocorrem em áreas onde existe atividade vulcânica, são fontes resultantes de fendas profundas na crosta terrestre e delas irrompem intermitentemente jatos de água superaquecida e vapor d´água. Essas fontes são utilizadas na produção de eletricidade na Islândia, na Nova Zelândia e nos Estados Unidos (Califórnia).

Nas usinas nucleares o “combustível” é um elemento radioativo, sendo o urânio o mais importante deles para essa finalidade. No urânio ocorre a desintegração do núcleo atômico, com a conseqüente liberação de energia, que é utilizada para aquecer água ou outro fluido a fim de acionar turbinas acopladas a geradores de eletricidade (veja o quadro 3).

QUADRO 3

Um reator nuclear é um aparelho destinado a produzir energia, utilizando como “combustível” determinados elementos químicos, principalmente o urânio. Essa energia provém de uma transformação que ocorre nos núcleos do elemento utilizado, denominada fissão nuclear, em que os núcleos atômicos se fragmentam e ao mesmo tempo liberam enorme energia.

A maioria dos reatores existentes atualmente destina-se a gerar eletricidade. A energia produzida na fissão nuclear é utilizada para vaporizar água ou outro fluido, que irá acionar as turbinas acopladas a geradores de eletricidade. Sob esse aspecto, o reator nuclear cumpre a mesma função que uma caldeira aquecida com a combustão de carvão ou de óleo diesel, por exemplo. A figura abaixo ilustra como funciona um reator nuclear por exemplo. A figura abaixo ilustra como funciona um reator nuclear. Inventados em 1942 como um dispositivo científico destinado a estudar a desintegração nuclear, os reatores nucleares tornaram-se economicamente importantes para a geração de eletricidade, apesar da complexidade de suas

Instalações e de sua operação. Os reatores nucleares ainda contribuem modestamente para a produção de energia elétrica no cenário mundial. Em alguns países, entretanto, eles já se tornaram fontes importantes para essa finalidade, como é o caso da França, em que 80% da eletricidade é originada nos reatores nucleares; na Alemanha alcança mais de 20% e nos Estados Unidos 10%.

Em nosso País existem atualmente em operação duas usinas de geração nuclear (Angra I e Angra II), em 1985 e 2000, respectivamente. Em 1986 o governo brasileiro adquiriu 45% dos equipamentos para uma terceira usina nuclear (Angra III) e comprometeu-se a adquirir os equipamentos restantes, que custariam 750 milhões de dólares. O armazenamento e a manutenção dessa aparelhagem custam ao povo brasileiro, desde 1986, mais de 20 milhões de dólares por ano, sem falar nos custos financeiros! Isto significa que já desperdiçamos mais de 400 milhões de dólares para manter encaixotada e presumivelmente em bom estado grande

parte de uma usina nuclear; além disso, se hoje fosse decidido construir essa usina, seriam necessários pelo menos oito anos de trabalho e gastar mais 1 bilhão e 800 milhões de dólares para colocá-la em operação.

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 transmite 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 chamadolitosfera, 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 nucleardos 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 paraaquecer 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. 11. 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. 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.   7.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. 8.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. 9. 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 T erra; 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. 10. 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. 12.Exercícios 1. O raio terrestre médio vale aproximadamente 6.380 km. Calcule a área do globo terrestre e, utilizando o valor da constante solar, confira o valor mencionado no texto para a energia recebida do Sol em 24 horas. Lembre-se que a área de uma esfera de raio R é calculada pela equação A = 4 R2. 2. A cada ano a atividade humana despeja na atmosfera 6 bilhões de toneladas de gás carbônico (ou CO2). Consulte uma enciclopédia ou outra fonte para saber qual a produção mundial de um alimento, por exemplo, soja ou trigo, e compare-a com o dado acima. O que se pode concluir?                                               3. O que significa afirmar que a distância média do Sol à Terra é de 1,5 x 108 km? 4. A usina hidrelétrica de Itaipu é a maior do mundo. Ela é capaz de gerar energia elétrica à potência de 12.600 kW; que quantidade dessa energia a usina de Itaipu produz por dia? 5. Uma pessoa adulta normal necessita ingerir diariamente, apenas para se manter viva e saudável, alimentos que lhe forneçam pelo menos 2.500 kJ de energia. Qual, em watts, a potência média do corpo humano nessas condições? 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. 7. 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?  8. Um selo postal comum tem as dimensões de 2 cmx2,5 cm = 5 cm2. Mostre que   6x1022 selos desse tamanho seriam mais que suficientes para cobrir inteiramente a área ocupada pelo nosso País (8,5x106 km2)  e formariam uma pilha com mais de 3 milhões de camadas! Se a espessura de cada selo for de 0,1 mm, que altura essa camada teria? 9. Uma das lendas sobre o xadrez é que seu inventor pediu como recompensa o número de grãos de trigo calculado assim: na 1a casa seria colocado  1  grão, na  2a  dois grãos, na terceira 4 grãos, e assim sucessivamente, dobrando o número de grãos de uma casa à seguinte, até à última casa, a  64a; o número de grãos correspondente a essa casa seria a recompensa desejada. Calcule quantos grãos o inventor receberia. Suponha que cada grão de trigo “pese” 0,001 grama e compare a quantidade de trigo da 64a casa com a produção anual de trigo no mundo (para isso, consulte alguma enciclopédia ou outra fonte dessa informação). Quanto tempo seria necessário para atender ao pedido do inventor do xadrez?