A geladeira do futuro | Unicamp
qua, 27 nov 2019 | 11:45
Modelo computacional desenvolvido por físicos da Unicamp em cooperação com pesquisadores americanos e chineses contribuiu para artigo publicado em outubro na Science
Professores Alexandre Fontes da Fonseca e Douglas Soares Galvão, do Departamento de Física Aplicada do IFGW
A descoberta de que o resfriamento dos alimentos permitia conservá-los por maior tempo remonta aos primórdios da historia da humanidade. Mas somente no século XIX um inventor inglês desenvolveu um compressor capaz de solidificar a água, produzindo gelo artificialmente, o que favoreceu a produção de alimentos e sua comercialização para centros distantes. Já no inicio do século XX surgiram nos EUA aparelhos de ar-condicionado capazes de controlar a umidade do ambiente e resfriá-lo. A partir da segunda década do mesmo século começaram a tornar-se populares no país os refrigeradores domésticos. Nas geladeiras atuais, fundamentalmente, em um sistema adequado, um gás, submetido à compressão, liquefaz-se, resfriando-se, em uma serpentina situada junto ao congelador, de onde absorve calor, resfriando o compartimento e voltando ao estado gasoso. A repetição desse ciclo garante a manutenção do sistema de refrigeração. A descoberta deste sistema de refrigeração permitiu a produção de alimentos em escala e ampliou sobremaneira suas condições de comercialização.
Imagine-se agora a possibilidade de substituir este ciclo na refrigeração pela torção e distorção continua de um fio de borracha, ou de polietileno (fio de pesca), ou de uma liga metálica de níquel-titânio, aproveitando o resfriamento que ocorre nesses materiais, durante esse processo. Explique-se: ao serem enrolados esses materiais esquentam, em seguida entram em equilíbrio térmico com o meio ambiente e ao serem desenrolados esfriam, quando então podem ser utilizados para retirar calor do congelador. Para isso, bastaria uma engenharia que garantisse um ciclo de torções e distorções. Não é difícil imaginar que a reposição dos atuais gases de refrigeração, que com o tempo escapam das serpentinas, seria substituída pela troca do elemento do novo circuito em que ocorrem as torções/distorções dos materiais utilizados quando ocorresse sua exaustão, a exemplo do que se faz hoje com a troca de resistências nos chuveiros elétricos.
A viabilidade do emprego deste processo na refrigeração foi mostrada em artigo publicado na revista Science, em outubro (https://doi.org/10.1126/science.aax6182), que teve a contribuição dos trabalhos desenvolvidos pelos professores Alexandre Fontes da Fonseca e Douglas Soares Galvão, do Departamento de Física Aplicada, do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp, realizados em cooperação com um grupo de pesquisadores da China e outro dos EUA. O Dr. Ray H. Baughman, que lidera toda a equipe, é diretor do Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute, University of Texas at Dallas, USA. O grupo chinês tem o comando do Dr. Zunfeng Liu, do State Key Laboratory of Medicinal Chemical Biology, College of Pharmacy, Key Laboratory of Functional Polymer Materials, Nankai University, China.
Há cerca de duzentos anos sabe-se que a borracha natural esticada se aquece, efeito chamado de elastocálorico, desde então muito estudado. Isso ocorre, explica o professor Douglas Galvão, porque com o estiramento as cadeias poliméricas que constituem as fibras de borracha se tornam mais organizadas, o que leva a uma diminuição da sua entropia, ou seja, à diminuição do grau de desordem do sistema molecular. Se esse processamento é realizado rapidamente, de forma que não haja tempo do material trocar calor com o meio ambiente, em um processo denominado adiabático, a queda da entropia, em decorrência da organização das fibras, deve ser compensada pelo aumento da temperatura do sistema, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, para que a entropia do sistema se mantenha constante em um processo durante o qual nenhuma quantidade de calor é trocada entre o sistema e seu meio. Ocorre que para o estiramento há necessidade de realizar um trabalho sobre o sistema e é esse fornecimento de energia interna ao sistema que eleva sua temperatura, que na verdade ocorre em decorrência do aumento da energia cinética media das moléculas que o constituem. Mas, se logo na sequência a borracha esticada é permitida entrar em equilíbrio com o meio ambiente, por ter perdido calor para ele, ao retornar rapidamente às condições de origem, portanto em um novo processo adiabático, ocorre uma diminuição da temperatura perceptível ao tato. Isso ocorre porque se dá o processo inverso. Com efeito, ao ser rapidamente solta ou liberada, a borracha, em um processo também adiabático, tem a entropia agora aumentada em decorrência da volta ao desalinhamento das cadeias poliméricas que a constituem e inversamente compensa isso com a queda da temperatura. Ou melhor, ao ser liberada, a borracha age sobre o meio externo devolvendo na forma de trabalho a energia interna acumulada durante o estiramento, do que resulta a diminuição da temperatura. Nesse momento, a borracha em contato com um meio que se deseja resfriar retira calor dele, a exemplo do que acontece nos atuais refrigeradores que utilizam gases.
A figura que segue mostra uma barra com a indicação do código de cores que vai do azul ao vermelho com a indicação da variação da temperatura nas extremidades. O estado A é o inicial, que corresponde à temperatura ambiente; o estado B refere-se à situação em que foi aplicada uma determinada quantidade de torção; o estado C representa o estágio em que a torção foi liberada, mas após a borracha torcida no item B entrar em equilíbrio térmico com o meio ambiente.
A figura seguinte mostra o que deve acontecer com a borracha durante o ciclo completo de uma máquina refrigeradora. Em (a) a borracha em equilíbrio térmico com o ambiente; em (b) a borracha imediatamente após receber torção; em (c) a borracha torcida após entrar em equilíbrio térmico com o ambiente; em (d) a borracha imediatamente após a remoção da torção; e em (e) a borracha destorcida novamente em equilíbrio térmico com o ambiente. As cores mais claras correspondem às maiores temperaturas.
Os grupos americano e chinês trabalharam nas determinações experimentais e em alguns aspectos mecânicos das estruturas dos fios torcidos. Na avaliação dos docentes da Unicamp, "nossa contribuição consistiu na elaboração de cálculos por dinâmica molecular clássica da diferença de entropia de duas estruturas cristalinas do polietileno com vistas a mostrar a origem do efeito elastocalórico, pois o material ao ser torcido sofre mudança de fase cristalina. Além disso, contribuímos com o estudo da termodinâmica do efeito elastocalórico e nas discussões sobre as interpretações dos resultados. Na verdade nossos cálculos computacionais serviram para apresentar e delinear uma explicação para o efeito observado no polietileno".
Os docentes esclarecem que o processo ainda não é competitivo com a utilização do gás nos sistemas de refrigeração utilizados hoje. Seu emprego esbarra ainda em problemas de engenharia, mas principalmente, no desenvolvimento de materiais mais eficientes e adequados ao processo de torção. O professor Galvão destaca, entretanto, que com um estudo envolvendo ciência básica, foi criado um modelo que se mostrou viável e que demanda agora a descoberta de novos materiais e da utilização de uma engenharia eficiente: "é a ciência gerando a possibilidade de novas tecnologias, bem estar, emprego e riquezas", diz ele.