ECOLOGIA SUSTENTABILIDADE: CIÊNCIA, MATÉRIA E ENERGIA

ECOLOGIA
Prof. ELOIR MISSIO
SUSTENTABILIDADE: CIÊNCIA, MATÉRIA E
ENERGIA
SUSTENTABILIDADE: CIÊNCIA MATÉRIA E
ENERGIA
ODUM, Eugene P. Ecologia. Rio de Janeiro: Guanabara, 1988.
CHRISTOFOLETTI, Antonio. Modelagem de Sistemas
Ambientas. São Paulo: Edgar Blucher, 1999.
ODUM, Eugene P. 7. Ed. Fundamentos da Ecologia. Lisboa:
Fundação Calouste Gulbenkian, 2004.
MILLER Jr., G. TYLER. Ciência Ambiental. São Paulo, Cenage
Learning. 2012.
REIS, Lineu Belico dos; FADIGAS, Eliane A. Amaral; CARVALHO,
Cláudio Elias. Energia, Recursos Naturais e a Prática do
Desenvolvimento Sustentável. Barueri, SP. Manole. 2005.
SUSTENTABILIDADE: CIÊNCIA MATÉRIA E ENERGIA
Quais são as formas básicas de matéria e oque a torna útil como recurso?
Quais são as principais formas de energia e o que a torna útil como recurso?
Qual a lei científica rege as mudanças da matéria de uma forma física ou química para outra?
Quais são os três tipos de alterações nucleares que a matéria pode sofrer?
Quais são as duas leis que regem as mudanças de energia de uma forma para outra?
Como as leis que regem as mudanças na matéria e na energia, de uma forma para outra, estão relacionadas ao
uso de recursos e a degradação ambiental?
Comente as seguintes declarações:
Os cientistas não comprovaram que alguém já tenha morrido por fumar cigarros.
A teoria do efeito estufa – que determinados gases (como vapor de água e o dióxido de carbono) aquecem a
atmosfera – não é uma ideia confiável porque não é uma teoria científica?
Como a lei científica (por exemplo, a lei de conservação da matéria) difere das leis da sociedade (como os limites
máximos para a velocidade de veículos)? É possível infringi-las?
Uma árvore cresce e aumenta a massa. Explique porque esse fenômeno não é uma violação da lei de
conservação da matéria.
Existe fora em jogar fora alguma coisa?
Alguém deseja investir dinheiro em motores automobilísticos que produzam mais energia do que a energia do
combustível (como gasolina ou eletricidade) utilizada para acionar o motor. Qual é sua opinião? Explique.
Utilize a segunda lei da termodinâmica para explicar por que um barril de petróleo pode ser utilizado apenas uma
vez como combustível.
a) Imagine que você tenha o poder de abolira a lei de conservação da matéria por apenas um dia. Quais as três
coisas que você faria com esse poder?
b) Imagine que você tenha o poder de violar a primeira lei da termodinâmica por apenas um dia. Quais as três
coisas mais importantes que você faria com esse poder?
c) Imagine que você poderia violar a segunda lei da termodinâmica por apenas um dia. Quais as três coisas mais
importantes que você faria com esse poder?
SUSTENTABILIDADE
Estudo de caso
Ilha de Páscoa
Palmeiras – abrigo, ferramentas, canoas, fibras
Tília glabra – fogo
A vida era boa na ilha
No ano de 1400 – 6.000 a 20.000 habitantes
População em rápido crescimento – demanda de recursos maior que produção
Os deuses foram invocados – 300 imagens divinas em pedra foram
construídas.
SUSTENTABILIDADE
Esgotaram-se as árvores por volta do ano de 1600
Não podiam mais construir canoas para pescar
As fontes e os córregos secaram
Solos foram erodidos
Fome
A população e a civilização colapsou
Canibalismo
1722 – 2000 habitantes
famintos
vivendo em cavernas
campos com poucos arbustos
Assim como páscoa, isolada no meio do pacífico sul, a terra é uma ilha isolada
na vastidão do espaço
NATUREZA DA CIÊNCIA
O que é ciência e o que os cientistas
fazem?
Ciência:
É uma tentativa de descobrir a ordem das
coisas e utilizar esse conhecimento para
fazer predições sobre o que pode
acontecer na natureza.
MATÉRIA
Elementos e compostos
Matéria:
qualquer coisa que tenha
massa e ocupe espaço
MATÉRIA
Formas químicas da matéria:
elementos: hidrogênio (H), Carbono (C), oxigênio (O), nitrogênio (N),
fósforo (P)....
Compostos: dois ou mais elementos diferentes unidos em proporções
fixas por forças atrativas chamadas ligações químicas.
água (H2O), oxigênio (O2), ozônio (O3), nitrogênio (N2),
óxido nitroso (N2O), sulfeto de hidrogênio (H2S), dióxido
de carbono (CO2)....
MATÉRIA
Átomos íons e compostos
Átomo: menor unidade de matéria que tem característica de um elemento
particular
Íon: um átomo ou combinação de átomos carregados eletricamente
Íons positivos: hidrogênio (H+), sódio (Na+), cálcio (Ca2+), amônio
(NH4+)
Íons negativos: cloro (Cl-), nitrato (NO3-), sulfato (SO42-), fosfato (PO43-)
Compostos: dois ou mais elementos diferentes unidos em proporções fixas por
forças atrativas chamadas ligações químicas. Ex (água (H2O),
oxigênio (O2), ozônio (O3), nitrogênio (N2), óxido nitroso (N2O),
sulfeto de hidrogênio (H2S), dióxido de carbono (CO2), amônia
(NH3), ácido sulfúrico (H2SO4), glicose (C6H12O6).
MATÉRIA
Compostos orgânicos: contêm pelo menos dois átomos de carbono
combinados com eles mesmos e com átomos de um ou mais
elementos , como H, O, N, S, P, Cl, F.
OBS: o metano (CH4) é uma exceção, composto orgânico com apenas um
átomo de C.
Compostos inorgânicos: os demais
Compostos orgânicos:
Hidrocarbonetos: compostos de átomos de carbono e hidrogênio. Metano
(CH4) é o principal componente do gás natural.
Hidrocarbonetos clorados: compostos de átomos de carbono, hidrogênio e
cloro. DDT (C14H9Cl5).
Carboidratos simples (açúcares simples): determinados tipos de compostos de
átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio. Glicose (C6H12O6).
MATÉRIA
Polímeros: compostos orgânicos maiores e mais complexos unidos por
ligações químicas. Estruturas básicas de unidades moleculares (monômeros),
semelhantes aos vagões nos trens de carga.
Três grupos de polímeros:
carboidratos complexos: dois ou mais monômeros de açúcares
simples, como a glicose, unidos (amido)
Proteínas: formadas pela ligação de monômeros de aminoácidos
ácidos nucléicos: (DNA, RNA) formados pela ligação de sequências de
monômeros chamados nucleotídeos
Genes: consistem de sequências específicas de nucleotídeos encontradas em
moléculas de DNA
Cromossomos: são combinações de genes que compõem uma única molécula
de DNA, juntamente com uma variedade de proteínas
MATÉRIA
MATÉRIA
De que os átomos são formados?
Existem três tipos de blocos de construção subatômicos:
prótons – carregados positivamente
nêutrons – sem carga
elétrons – carregados negativamente
As cargas dos prótons e dos elétrons não se cancelam uma a outra.
Número atômico: igual ao número de prótons no núcleo de cada um de seus
átomos.
hidrogênio: número atômico igual a 1
carbono: número atômico igual a 6
urânio: número atômico igual a 92
Número de massa: número de nêutrons e prótons em seu núcleo
urânio = 92 prótons + 143 nêutrons = 235 é o número de massa
MATÉRIA
Isótopos:
todos os átomos de um elemento tem igual número de prótons, mas podem ter
número diferente de nêutrons. Então:
isótopos são as formas de algum elemento que tem o mesmo número atômico,
mas número de massa diferentes.
O hidrogênio tem três isótopos:
hidrogênio-1 H-1com um próton e nenhum nêutron em seu núcleo
hidrogênio-2 (deutério) H-2 com um próton e um nêutron
hidrogênio-3 (trítio) H-3 com um próton e dois nêutrons
MATÉRIA
Qualidade da matéria:
É medida no sentido de quão útil é uma forma de matéria aos humanos como
um recurso, com base em sua disponibilidade e concentração.
Matéria de alta qualidade: é concentrada, encontra-se próximo da superfície da
terra e tem grande potencial de uso como recurso material.
Matéria de baixa qualidade: diluída, encontra-se em subsolo ou dispersa no
oceano ou na atmosfera, tem pequeno potencial para uso
como recurso.
Eficiência material ou produtividade do recurso: é a quantidade total necessária
para produzir cada unidade de bens ou serviços.
Paul Hawken e Amory Lovins: com base nas tecnologias existentes, a
produtividade de recursos, em países desenvolvidos, pode ser melhorada de
75 a 90% em duas décadas.
MATÉRIA
MATÉRIA
Alterações físicas e químicas:
Alteração física: quando a matéria sofre modificação física mas sua
composição química não é alterada
Ex: uma folha de alumínio cortada ainda é alumínio
quando a água sólida (gelo) derrete ou a água líquida ferve nenhuma
molécula de H2O envolvida muda. As moléculas são organizadas em
padrões espaciais (físicos) diferentes.
Alteração química ou reação química: as composições químicas ou compostos
mudam.
Ex: quando o carvão é queimado, o carbono combina-se com o oxigênio do ar,
formando dióxido de carbono (CO2).
MATÉRIA
A lei da conservação da matéria
Podemos mudar elementos e compostos de uma forma física para outra, mas
nunca criar ou destruir qualquer um dos átomos envolvidos em qualquer
alteração física ou química.
A lei da conservação da matéria indica que não há um “fora” em “jogar fora”.
Tudo o que pensamos ter jogado fora continua conosco de alguma forma
MATÉRIA
Tipos de poluentes:
Podemos tornar o ambiente mais limpo e converter algumas substâncias
químicas potencialmente prejudiciais em formas físicas e químicas menos
nocivas, no entanto sempre enfrentaremos o problema do que fazer com
resíduos e poluentes.
A severidade dos efeitos prejudiciais da poluição depende:
da natureza
concentração e
persistência
Persistência: é a medida de quanto tempo o poluente permanece no ar, na
água, no solo ou no corpo.
MATÉRIA
Quanto a persistência os poluente podem ser:
Poluentes degradáveis: decompostos completamente ou reduzidos a níveis
aceitáveis por processos físicos, químicos ou biológicos
Poluentes biodegradáveis: poluentes químicos complexos que os organismos
vivos (geralmente bactérias) decompõem em substâncias químicas mais
simples. Ex. esgoto humano
Poluentes lentamente degradáveis ou persistentes: demoram décadas ou mais
para degradar. Ex. inseticida DDT (C14H9Cl5).
Poluentes não degradáveis: substâncias químicas que não podem ser
decompostas por processos naturais. Ex. chumbo, mercúrio e arsênio.
MATÉRIA
Alterações nucleares: decaimento radioativo, fissão e fusão.
Além das alterações físicas e químicas, a matéria pode sofrer um terceiro tipo
de mudança conhecida como alteração nuclear.
Três tipos de alteração nuclear:
Decaimento radioativo natural: é uma alteração nuclear em que isótopos
instáveis emitem espontaneamente pedaços grandes de matéria de rápida
locomoção (partículas alfa e beta), radiação de alta energia (raios gama) ou
ambas a uma taxa fixa.
Os isótopos instáveis são chamados isótopos radioativos ou radioisótopos.
O decaimento radioativo desses isótopos em outros isótopos continua até
produzir um isótopo estável que não seja radioativo.
Cada tipo de radioisótopo decai de modo espontâneo a uma taxa característica
em um isótopo diferente.
MATÉRIA
O tempo necessário para que metade dos núcleos de uma determinada
quantidade de radioisótopos decaia e emita sua radiação para formar um
isótopo diferente, chama-se meia vida.
A meia vida é utilizada para determinar quanto tempo uma amostra de
radioisótopo deve ser armazenada até que decaia a um nível seguro.
Uma regra prática é que esse decaimento demora cerca de dez meias vidas.
Iodo-131: meia vida 8 dias, então as pessoas devem se proteger contra
resíduos radioativos que contenham iodo por 80 dias (iodo = 127).
Plutônio-239: produzido em reatores nucleares e utilizado em explosivos
nucleares, meia vida de 24000 anos, portanto deve ser armazenado por 240
mil anos.
MATÉRIA
A exposição a partículas alfa, beta ou raios gama pode alterar moléculas de
DNA, em alguns casos gerando defeitos genéticos na geração seguinte ou em
várias gerações depois.
Tal exposição também pode danificar tecidos corporais e causar queimaduras,
aborto, catarata e determinados tipos de câncer.
MATÉRIA
Fissão nuclear: uma alteração nuclear em que os núcleos de determinados
isótopos com número de massa altos (urânio-235) são divididos em núcleos
mais leves quando afetados pelos nêutrons. Cada fissão libera de dois a três
nêutrons além de energia.
MATÉRIA
Cada fissão dentro de uma massa crítica produzem uma reação em cadeia que
libera uma quantidade enorme de energia.
Uma bomba atômica libera uma
quantidade enorme de energia
em uma fração de segundo em
uma reação em cadeia de fissão
nuclear descontrolada.
No reator de uma usina nuclear, a taxa em que a
reação em cadeia da fissão nuclear ocorre é
controlada. O calor liberado produz vapor de alta
pressão para girar turbinas, o que vai gerar
energia.
MATÉRIA
Fusão nuclear: alteração nuclear em que dois isótopos de elementos leves ,
como o hidrogênio, são forçados a temperaturas extremamente altas até que
se fundam para formar um núcleo mais pesado.
Nesse processo é liberado uma grande quantidade de energia.
A fusão de núcleos de hidrogênio, para formar núcleos de hélio é a fonte de
energia do sol e de outras estrelas.
Após a 2ª guerra, o princípio da fusão nuclear descontrolada foi utilizado para
desenvolver armas de hidrogênio, ou termonucleares, extremamente potentes.
Cientistas tentaram desenvolver fusão nuclear
controlada, em que deutério e trítio produzem
calor que pode ser transformado em eletricidade.
Encontra-se ainda em estágio laboratorial,
com previsões a partir de 2030.
ENERGIA
O que é energia?
Energia é a capacidade de realizar trabalho e transferir calor.
O sol fornece ao nosso planeta energia e calor e, para as plantas, energia para
produzir as substâncias necessárias para o crescimento.
Os animais obtém a energia de que precisam da energia química armazenada
em plantas e em tecidos animais que ingerem.
As diferentes formas de energia podem ser classificadas em dois tipos:
Energia de movimento – denominada energia cinética.
Energia armazenada – denominada energia potencial
ENERGIA
Energia de movimento – denominada energia cinética.
Ex. vento, fluxo de correntezas, transferência de calor entre os corpos, calor
(energia cinética total de todos os íons, átomos ou moléculas de uma
substância), radiação eletromagnética.
ENERGIA
ENERGIA
Energia armazenada – denominada energia potencial, que está armazenada e
disponível para uso.
Ex. uma pedra em sua mão, um fósforo que ainda não foi aceso, a água
parada atrás de uma represa, a energia química armazenada em moléculas de
gasolina, e a energia nuclear armazenada nos núcleos de átomos.
É possível mudar a energia potencial para energia cinética?
ENERGIA
Qualidade da energia: É a medição da capacidade da fonte de energia de
realizar trabalho útil.
ENERGIA
Energia de alta qualidade: é concentrada e pode realizar trabalhos úteis.
Exemplos: eletricidade, energia química armazenada no carvão e na gasolina,
a luz solar concentrada, os núcleos de urânio-235
Energia de baixa qualidade: é dispersa e tem pouca capacidade de realizar
trabalho útil.
Exemplos: calor disperso nas moléculas em movimento de uma grande
quantidade de matéria (como a atmosfera ou um grande corpo d’água) de
modo que sua temperatura é baixa.
ENERGIA
A primeira lei da termodinâmica
Em todas as alterações físicas e químicas, a energia não é criada nem
destruída, embora possa ser convertida de uma forma em outra.
A segunda lei da termodinâmica
Quando uma energia muda de uma forma para outra, alguma quantidade de
energia útil sempre se degrada em energia de baixa qualidade, mais dispersa e
menos útil.
A energia degradada geralmente toma a forma de calor emitido aos arredores
(ambiente) a uma baixa temperatura.
Ex: 20 a 25% da energia química de alta qualidade disponível na gasolina são
convertidos em energia mecânica (deslocamento) e energia elétrica (sistemas
elétricos). 75 a 80% são degradados em color de baixa qualidade, que é
liberado no ambiente e em algum momento perdido no espaço.
Boa notícia: há muitas possibilidades para melhorar a eficiência da energia
ENERGIA
LEIS DE TROCA DE MATÉRIAS E ENERGIA E SUSTENTABILIDADE
Economias de alta produtividade não sustentáveis
Como resultado da lei da conservação da matéria e da segunda lei da
termodinâmica, o uso de recursos individuais adiciona automaticamente ao
ambiente algum calor e matéria residual.
O que acontecerá se mais pessoas continuarem a utilizar e desperdiçar
energia e recursos a uma taxa crescente?
... Em algum momento o consumo de recursos excederá a capacidade do
ambiente de diluir e degradar a matéria residual e absorver o calor residual.
Quão perto estamos de atingir tal limite?
LEIS DE TROCA DE MATÉRIAS E ENERGIA E SUSTENTABILIDADE
LEIS DE TROCA DE MATÉRIAS E ENERGIA E SUSTENTABILIDADE
Economias de reciclagem e reaproveitamento de matéria
Podemos converter a economia linear em uma economia de reciclagem e
reaproveitamento de matéria, que imita a natureza pela reciclagem e
reaproveitamento da maioria das saídas de matéria em vez de depositá-las no
ambiente.
Apesar disso:
As duas leis da termodinâmica dizem que que a reciclagem e o
reaproveitamento de recursos materiais requerem sempre a utilização de
energia de alta qualidade (que nunca poderá ser reciclada) e acrescentam
calor residual ao ambiente.
LEIS DE TROCA DE MATÉRIAS E ENERGIA E SUSTENTABILIDADE
Economias de baixa produtividade sustentáveis
Podemos viver de forma mais sustentável?
Desperdiçando-se menos matéria e energia pelo aumento da
reciclagem e reaproveitamento da maioria dos recursos materiais
utilizados.
Levando uma vida mais simples para diminuir o uso de recursos per
capita
Diminuindo o crescimento da população para reduzir o número de
usuários.
Lições da natureza reveladas pela lei de conservação da matéria e as duas leis
da termodinâmica.
LEIS DE TROCA DE MATÉRIAS E ENERGIA E SUSTENTABILIDADE