domingo, 24 de novembro de 2013

Energia Essencial

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 15 de novembro de 2013

No último dia 20 de outubro teve início mais um período no qual, a partir de um decreto federal, as pessoas que vivem nas regiões Sul, Sudeste e Centro-oeste do Brasil tiveram que adiantar seus relógios em uma hora. É o horário de verão, há tempos instituído no Brasil com o objetivo de se aproveitar melhor os períodos de luminosidade solar. Começa todos os anos a partir do terceiro final de semana de outubro e vigora até o terceiro final de semana de fevereiro.
A ideia de fazer a mudança nos relógios é que nessa época os dias são mais longos. Para os estados do Norte e Nordeste a medida não se aplica, pois, como estão próximos da linha do Equador, não há diferenças consideráveis do período de luminosidade ao longo do ano.
Com o adiantamento dos relógios, levantamos uma hora mais cedo (quando o dia já está claro) e também dormimos uma hora antes, diminuindo o consumo de energia elétrica. As estimativas são de que a medida leve a uma economia da ordem de 0,5% ao longo do período de vigência do horário.
Uma economia de 0,5% parece pequena, mas a energia elétrica (assim como as demais formas de energia) é um insumo essencial – e caro – em nossa sociedade. Dependemos dela o tempo todo, e sua produção e distribuição são grandes desafios para o século 21, principalmente se levarmos em conta que a geração de energia tem um custo que vai além do financeiro. O desafio é gerar energia com um mínimo de impactos ambientais. Mas, como veremos, é impossível gerar energia sem que parte dela seja devolvida ao ambiente de forma não útil.

Conservação da energia

Um dos mais importantes fundamentos da física é o chamado princípio da conservação da energia, que estabelece que a energia nunca é criada ou destruída, mas sempre conservada em todos os processos físicos.
Esse princípio está presente em diferentes teorias físicas, mas aparece de forma marcante na chamada Primeira Lei da Termodinâmica, segundo a qual a variação da energia interna de um corpo depende do trabalho realizado pelo corpo e da quantidade de calor dele extraída.
Por exemplo, em um automóvel, quando o combustível é injetado no motor, uma faísca produz combustão, que é um processo de queima controlada. Esse processo libera grande quantidade de calor e, como consequência, aumenta a pressão na câmara interna, que empurra o pistão, colocando-o em movimento.
A partir daí, de modo simplificado, dizemos que os movimentos são transferidos para os eixos do automóvel, permitindo que ele ande, e também para um gerador elétrico, que alimenta uma bateria. Esta permite então os acionamentos elétricos existentes no automóvel. Mas, nesse processo, há geração de dióxido e monóxido de carbono, que são lançados na atmosfera, contribuindo com a poluição do planeta.
No processo de combustão, a energia química acumulada nas ligações entre átomos e moléculas do combustível se transforma em calor (que também é uma forma de energia). Essa energia química foi acumulada nos processos que levaram à formação das moléculas.
No caso da gasolina e do óleo diesel, essa energia vem do petróleo, formado a partir da decomposição de seres que compõem o plâncton e outras matérias orgânicas, como restos de vegetais e algas, que ficaram enterrados em rochas sedimentares sob forte calor e pressão. Tais seres, por sua vez, acumularam energia a partir do processo de fotossíntese, no qual as plantas usam a energia do Sol para converter gás carbônico, água e minerais em compostos orgânicos e oxigênio gasoso.
No caso do etanol utilizado nos automóveis, extraído da cana-de-açúcar ou milho, ou dos óleos vegetais, como o biodiesel, também aproveitamos a energia solar que os vegetais acumularam a partir da fotossíntese.
A principal diferença na utilização de combustíveis fósseis, como o petróleo, é que nesse caso o carbono emitido estava anteriormente acumulado nas profundezas do solo. Já as plantas utilizadas para gerar biocombustíveis capturaram o carbono da atmosfera (no processo de fotossíntese). O ciclo que ocorre nesse último caso praticamente não deixa resíduos na atmosfera (como o gás carbônico) que contribuem com o aquecimento global.

Entropia

Uma importante descoberta da física é que não se pode transformar a energia com 100% de eficiência. Como no exemplo do automóvel, é impossível transformar uma forma de energia em outra que gere sempre trabalho ou movimento. Parte dela sempre será transformada em calor que não pode ser aproveitado. Percebemos facilmente o aumento da temperatura de um motor durante o seu funcionamento.
Esse fato é conhecido como Segunda Lei da Termodinâmica e está relacionado com o conceito da entropia, uma grandeza física associada ao grau de organização de um sistema (e, como consequência, à quantidade de informação necessária para caracterizá-lo). Dessa forma, quanto maior a entropia, mais informações são necessárias para descrevermos um sistema (veja a coluna 'O caos e a ordem').
No caso do automóvel, grande parte do calor gerado no processo de combustão para pôr o veículo em funcionamento se perde no meio ambiente e não pode ser reaproveitada.
Nas usinas hidrelétricas, em que a eletricidade é gerada pelo movimento das turbinas produzido pela água que desce a represa, parte dessa energia se perde no processo de atrito entre a água e a turbina. Na própria transmissão da eletricidade pelos cabos da usina até nossas casas, a energia se perde na forma de calor devido à resistência elétrica dos fios.
Enfim, a energia não é criada nem destruída, mas transformada, e parte dela se modifica em energia que não pode ser utilizada. Assim, dada a crescente demanda de energia, é necessário buscar sempre processos nos quais esses efeitos possam ser minimizados, embora saibamos que é impossível transformar energia com 100% de eficiência. A energia é essencial para nossas vidas, devendo, portanto, o seu uso ser bem empregado e valorizado, buscando-se sempre evitar desperdícios.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

domingo, 17 de novembro de 2013

Percepções Sonoras

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 24/10/2013

Graças aos nossos sentidos, temos condições de interagir com o mundo à nossa volta. Com limitação em qualquer dos sentidos, uma pessoa perde boa parte das informações que poderia receber.
Além da visão, que talvez seja o sentido mais importante, a audição completa grande parte de nossa percepção. A partir dos sons que captamos, podemos nos comunicar com outras pessoas, receber informações e experimentar diferentes sensações. Ao ouvir o canto de um pássaro, uma canção ou a voz de alguém, percebemos coisas que só através do som podemos compreender.
O som é a propagação de uma perturbação mecânica em um meio material. Pode propagar-se como uma onda periódica, caracterizada por seu comprimento (que é a distância entre dois picos ou vales) e por sua frequência (número de vezes que ela varia por unidade de tempo).
Por exemplo, quando tocamos a nota musical ‘lá’ em um violão, ela se propaga pelo ar com velocidade de aproximadamente 340 m/s na forma de uma onda com frequência de 440 Hz (hertz é uma unidade de frequência que equivale a uma oscilação por segundo) e comprimento de onda de aproximadamente 77 cm.
Quanto maior a frequência, menor o comprimento da onda. A velocidade com que o som se propaga depende do meio: quanto mais denso o meio, maior a velocidade de propagação. Na água, o som se propaga a 1.400 m/s; no alumínio, a 6.300 m/s. Essa velocidade depende também da temperatura em que o meio se encontra.

Há sons que não são ondas periódicas, como o que é produzido quando batemos palmas. Nesse caso, a onda é do tipo pulso, que se propaga em todas as direções, empurrando as moléculas do ar. Algo semelhante acontece quando, em uma sala fechada, abrimos uma porta repentinamente, fazendo com que o deslocamento de ar feche uma outra do lado oposto.
Como todos os nossos sentidos são limitados, podemos perceber apenas parte do mundo ao nosso redor. No caso da audição, só captamos sons que estão na faixa de 20 a 20.000 Hz. Outros animais são capazes de perceber sons fora dessa faixa. Elefantes, por exemplo, podem se comunicar entre si por meio de ondas infrassonoras a distâncias de até 2 km. Como essas ondas são de baixa frequência, acabam tendo grande comprimento de onda.
Por outro lado, cachorros podem captar sons na faixa de 50.000 Hz, e morcegos os percebem na faixa de 120.000 Hz. Estes últimos emitem gritos pela boca e pelas narinas nessas altas frequências. Quando os pulsos atingem um objeto, são refletidos em forma de eco e captados pelos ouvidos do animal. Com esse sonar (semelhante aos utilizados em submarinos), o morcego consegue identificar, durante o voo, a natureza do ambiente que o circunda, bem como a forma e a dimensão do objeto.

Ultrassonografia e radiofrequência

Outra aplicação do ultrassom é na geração de imagens. Da mesma forma que os morcegos, a técnica de ultrassonografia aproveita a reflexão do som produzida pelas estruturas e órgãos do corpo. Os ecos captados são transformados em imagens por meio de computação gráfica.
Os aparelhos de ultrassom utilizam frequências variadas, de 2 até 14 MHz (milhões de hertz). Quanto maior a frequência, melhor a qualidade e precisão das imagens das estruturas superficiais obtidas. Conforme a densidade dos tecidos e sua composição, as ondas ultrassônicas vão refletir de modo diferente, sofrendo atenuações. Isso se manifesta na imagem com diferentes tons de cinza observados.
Assim como as ondas sonoras podem se transformar em imagens, que são emissões de luz (ondas eletromagnéticas), o contrário também pode ocorrer. Um rádio, por exemplo, capta ondas eletromagnéticas emitidas pela estação em dada frequência e as transforma em ondas sonoras, que podemos ouvir.
A frequência da onda de rádio nada tem a ver com a frequência dos sons produzidos. Basta lembrar que uma estação de rádio transmite em uma frequência fixa (normalmente na faixa de MHz) e podemos ouvir diferentes sons. A onda de rádio transmite informações, que atualmente podem ser transmitidas também na forma digital.

Oscilações nas ondas de plasma

Em filmes de ficção científica são comuns explosões no espaço. Embora tais sons deem um efeito dramático importante para muitos filmes, eles são impossíveis de acontecer. No espaço não há meio para a manifestação de ondas sonoras, pois há um vácuo muito alto, ou seja, com poucas partículas para permitir a propagação do som. A luz se propaga no espaço por ter uma natureza muito distinta da do som. É uma onda eletromagnética que não necessita de um meio para se manifestar.
Recentemente foi divulgada a notícia de que a sonda Voyager 1, lançada pela agência espacial norte-americana (Nasa) em setembro de 1977 com o objetivo de obter imagens dos planetas Júpiter e Saturno, teria alcançado o espaço interestelar. O anúncio foi feito com base nos ‘sons’ captados pela sonda nesse meio.
Nesse caso, o que a espaçonave captou foram oscilações nas ondas de plasma do espaço interestelar, na região denominada heliosfera. O plasma é o quarto estado da matéria e se manifesta, por exemplo, quando temos um gás ionizado (que perdeu parte de seus elétrons). A Voyager 1 detectou variações nessas partículas que se propagaram como ondas sonoras.

Os sons – ruídos, vozes, assobios, cantos, músicas, entre tantos outros – são diferentes formas de interação com o mundo. O barulho da chuva nos indica que a terra está sendo molhada; o som de uma risada, que alguém está feliz. Os ruídos das oscilações de plasma no espaço indicaram que uma espaçonave começava a alcançar as estrelas. Os sons nos informam sobre muitas coisas.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos