A engenharia e as novas energias

Autor

Nova Acrópole

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“Pois o homem não pode estar inactivo nem por um momento. Tudo é impulsionado à grande acção irremediável pelas três forças da Natureza: as três Gunas“, do Bhagavad Gita – Estância III – Sloka 5.

O homem está sempre condenado à acção, é impossível não actuar, pelo menos enquanto estamos vivos e depois provavelmente também não, ainda que noutros planos. O metabolismo do corpo humano é uma forma evidente de acção. Toda a acção requer energia, não somente os humanos como toda a Natureza, são uma fonte de perpétuo intercâmbio e transformação de energia.

Uma definição elementar de energia é a capacidade de produzir trabalho em potência ou em acto. Esta definição abarca o que usualmente se chama energia potencial e energia cinética. A energia potencial é a que está disponível, mas não em uso, a energia cinética é a que está sendo utilizada, é a energia do movimento. Aí temos a transformação mais básica da energia, de energia potencial em cinética.

Há muitos tipos de energia: mecânica, eléctrica, a que provém do calor ou da luz, energia nuclear, energia muscular. Mas sempre encontraremos um constante intercâmbio entre elas.

A forma de energia mais elementar utilizada na acção humana é a sua própria energia muscular e a dos animais domesticados, mas há outras formas que sempre foram utilizadas, a energia solar de forma directa na forma de luz e calor, e a energia solar indirecta assimilada pelos vegetais através da fotossíntese. O uso do fogo faz surgir da lenha a energia solar aí acumulada enquanto a árvore esteve viva. A energia da água que permite ou dificulta navegar de um lugar para o outro e que vai formando canais e riachos que modificam a paisagem. Enfim, o trabalho humano em geral é parte desta constante transformação de energia.

No século XIX, o cientista britânico James Prescott Joule demonstrou cientificamente que uma forma de energia pode ser transformada noutra. Em sua honra a unidade de energia que equivale à energia necessária para levantar um peso de uma libra a nove polegadas de altura, chama-se Joule.

Na física a termodinâmica é o ramo que estuda as transformações entre os diferentes tipos de energia. As constantes transformações de uma energia noutra e as transferências de energia de um lugar para outro explicam-se através das Leis da Termodinâmica.

A Primeira Lei enuncia que o calor total absorvido por um sistema é igual à soma do equivalente térmico do trabalho realizado por ele e da mudança da sua energia interna. Esta Lei é também uma lei de conservação de energia já que a energia não se perde, transforma-se. Num movimento, como a experiência de Joule com a roda de pás, a energia utilizada para mover as pás na água, não se perde, transforma-se em calor que aumenta a temperatura da água.

De acordo com este Primeiro Princípio, a energia existente no universo é constante embora sofra permanentes transformações.

O Segundo Princípio, enunciado em 1851 por Lord Kelvin, afirma que “é impossível realizar uma transformação cujo único resultado seja a conversão em trabalho do calor extraído de uma fonte a temperatura uniforme.” Este conceito conhece-se como rendimento do ciclo termodinâmico que é a relação entre o trabalho conseguido e a energia posta em jogo. Isto significa que nunca vamos conseguir aproveitar toda a energia fornecida.

Por exemplo, se utilizarmos uma quantidade de gasolina para fazer andar um automóvel, há uma boa parte que se perde no processo de combustão que não é completamente eficiente para aproveitar toda a energia disponível na gasolina, outra parte vai-se dissipar sob a forma de calor, outra na fricção, e por fim o que verdadeiramente se aproveita da gasolina utilizada é uma percentagem bastante pequena, o resto dissipa-se e de alguma forma perde-se, embora de acordo com o Primeiro Princípio, na realidade não se perde, transforma-se, mas esta transformação é também uma degradação que faz o processo irreversível, quer dizer, a gasolina que for utilizada já não se pode recuperar.

Há outro princípio adossado a esta segunda lei que foi enunciado pelo engenheiro francês Clausius e que diz: “Não é possível nenhum processo cujo único resultado seja a transferência de calor de um corpo frio para outro mais quente”. Ou seja, o que se move é o calor, isso determina uma direcção no processo, de mais quente para mais frio. A característica deste processo determina o que é conhecido como Entropia. É impossível passar de uma temperatura menor a outra superior sem trabalho e gasto energético. Num exemplo doméstico, se queremos aquecer um pouco de água, necessitamos de submeter o recipiente a uma fonte mais quente do que a água, para que esse calor se transmita.

De acordo com o Primeiro Princípio a energia não pode ser criada nem destruída. De acordo com o segundo, a entropia não pode ser destruída, mas pode ser criada e isso vai sucedendo nos processos termodinâmicos, o que faz com que a Entropia vá aumentando constantemente.

Existe também uma Terceira Lei que se enuncia como “a variação de entropia associada a qualquer processo termodinâmico que tende para zero quando a temperatura tende para o zero absoluto”. Isto significa que sempre que a temperatura seja superior ao zero absoluto (-273º C) vão-se produzir processos termodinâmicos irreversíveis, o que implica um aumento da entropia.

Se, como já vimos, todas as acções humanas requerem energia e o uso da energia de forma normal que é o ciclo termodinâmico, vai degradando a energia em processos irreversíveis, significa que todo o processo de industrialização e uso de maquinarias contribui para o aumento da entropia, e como vivemos num sistema quase fechado que é a biosfera, o aumento da população e a industrialização produzem um aumento constante de entropia e por conseguinte, uma degradação da energia e o seu esgotamento.

A tecnologia tem avançado também nesta direcção e desenvolvido máquinas cada vez mais eficientes no aproveitamento da energia, mas essa eficiência tem um limite e os recursos energéticos mais utilizados têm sido os combustíveis fósseis como o carvão e o petróleo, que colocam dois problemas básicos, são recursos limitados e o seu processo é contaminante. Por isso o processo de desenvolvimento tecnológico e industrial traduziu-se num incremento da poluição e aproxima-se de forma cada vez mais rápida do esgotamento desses combustíveis.

Apesar da evidência do tema, até à crise do petróleo dos anos 70, houve um constante crescimento do consumo, o nível de desenvolvimento de um país era directamente proporcional ao seu gasto energético per capita. Quando chegou a crise do petróleo constatou-se que era um recurso limitado contrastando com o crescimento constante da procura.

Até esse momento a noção de desenvolvimento era somente quantitativa, desenvolvimento era o mesmo que crescimento e isto implicava, na maioria dos casos um crescimento do consumo energético. A partir dessa crise começou a mudar-se a perspectiva e a ideia de desenvolvimento, passando a falar-se em desenvolvimento sustentável. O consumo crescente de combustíveis fósseis teve um efeito directo sobre a qualidade do ar, que se ia deteriorando dia-a-dia nas cidades, mais tarde comprovou-se que isso afectava o aquecimento global do planeta. Esta ameaça fez surgir o Protocolo de Quioto e o compromisso de diminuir as emissões de dióxido de carbono.

Todos estes factores despertaram não só o interesse, como acções claras para encontrar novas fontes energéticas que melhorem estes parâmetros, ou seja, que não deteriorem o ar, que não contribuam para o aquecimento global e que sejam renováveis. Hoje está em marcha investigações e aplicações das energias benignas, aquelas que se extraem do sol, do vento, da água e da terra.

Muitas das energias renováveis como a eólica e a solar, são energias degradadas, de baixa temperatura e baixa densidade. A grande vantagem que têm é que se dispõem de quantidades enormes destas energias e são renováveis, a limitação que existe é que pela sua qualidade difusa, se requer de enormes extensões de terreno para obter a grande quantidade de energia que a sociedade actual procura, e este uso extensivo produziria uma deterioração do meio ambiente.

O grande desafio para a engenharia neste momento é fazer uso daquela faculdade que lhe dá o nome, o engenheiro, para poder combinar de forma harmoniosa três aspectos que devem ser complementares:

– O desenvolvimento tecnológico que signifique também um melhor aproveitamento das fontes energéticas.

– O cuidado e protecção do meio ambiente.

– O desenvolvimento humano em toda a sua extensão, que não se trata apenas de produzir e consumir uma vez que esses são os meios, mas não as finalidades da vida humana.

O que é indubitável é que em poucos anos o nosso mundo mudará radicalmente, se a engenharia vencer os desafios, encontrar-nos-emos ante novas energias como a do hidrogénio e outras que estão em estudo, que produzirão mudanças tão radicais como foram em seu tempo o desenvolvimento da electricidade ou o uso dos combustíveis fósseis quando a engenharia criou os artefactos adequados para o seu uso.

Se a engenharia não vencer este desafio e, atendendo a que as reservas de petróleo não durarão mais além de umas poucas décadas, teremos que enfrentar uma drástica redução dos sistemas actuais de uso de energia.

Em qualquer caso, estamos à porta de um mundo muito diferente do que temos vivido nos últimos anos. Estamos preparados para ele?

 

Leonardo Santelices

Director da Nova Acrópole Equador

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