Temperatura - Entropia – Energia

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003 - Temperatura - Entropia – Energia
(Sistemas aquáticos-aquicultura) Parte 02 – Série: -Variáveis físicas, químicas e biológicas
Helcias Bernardo de Pádua
Biólogo, C.F.Bio 00683.01/D - [email protected] - 11-9568.0621
Só quero torná-la (a vida) de toda a humanidade;
ainda que para isso tenha de a perder como minha.
Cada vez mais assim penso.
Fernando Pessoa
(referindo sobre viver e a vida)
Definição da temperatura
Princípios da Termodinâmica
Apesar de todo mundo ter uma compreensão básica do conceito de temperatura, sua definição
precisa é um pouco complicada. Antes de se preocupar com a definição precisa, vamos estudar o
conceito de equilibro térmico.
Se dois sistemas com volume constante são postos em contato térmico, as propriedades de ambos
os sistemas podem mudar. Estas mudanças são devidas à transferência de calor entre os sistemas.
Quando o estado pára de mudar, o sistema está em equilíbrio térmico, ou seja, não tem-se mais a
transferência de calor.
Depois disso podemos estender à definição da temperatura a partir do princípio zero da
termodinâmica. Vejamos: “se dois sistemas A e B estão em equilíbrio térmico e que um terceiro sistema C
é em equilíbrio térmico com o sistema A, então os sistemas B e C estão também em equilíbrio”,
(WIKIPEDIA, 2004).
Como se percebe, é um fato não muito prático, (empírico), baseado mais sobre a observação do
que sobre a teoria. Como A, B e C estão todos em equilíbrio térmico, é razoável de pensar que os
sistemas têm o valor de uma propriedade em comum. Em geral, não é prático pôr dois sistemas em
equilibro térmico para verificar se eles são à mesma temperatura. Também, daria só uma escala
ordinal. Por isso, é útil estabelecer uma escala de temperatura baseada nas propriedades de um sistema
de referência, (WIKIPEDIA, op cit). Nos sistemas água/ar sempre teremos valores diferentes, mas
próximas em graus de temperatura. Chamamos esta propriedade de temperatura.
-Definição da temperatura a partir do Primeiro Princípio da Termodinâmica
Uma modalidade de energia pode apenas se transformar em outra mas não desaparecer, ou seja,
uma máquina que produza trabalho a partir do nada é impossível (moto perpétuo de primeira espécie).
Lembramos que calor e energia são a mesma coisa. Uma quantidade de calor Q pode produzir um
trabalho W e vice-versa. Calor e trabalho são equivalentes.
Primeira lei - uma quantidade de calor dQ adicionada a um fluido produz um aumento da
energia interna dU e um trabalho externo.
- Definição da temperatura a partir do Segundo Princípio da Termodinâmica
Como vimos, a temperatura, de início, foi definida a partir Princípio Zero da Termodinâmica,
mas é também possível se definir a temperatura a partir do “Segundo Principio da Termodinâmica”, que
trata da entropia.
Segundo a física, entropia seria o estado de desordem ou desorganização de um sistema. Assim, a
entropia crescente levaria a desorganização crescente. A entropia do universo tende a crescer, (2º
Princípio da Termodinâmica). Em termos práticos, tudo que se constrói tende a se destruir, a se
desfazer. Apesar de ser uma lei física, pesquisas recentes no campo da Biologia apontam no sentido de
uma ordem organizadora da vida , de uma força maior e ainda desconhecida pela ciência.
A “entropia” é uma medida da desordem num sistema. Esse Segundo Princípio estabelece que
qualquer processo leva a uma entropia constante ou maior do universo. Pode ser entendido em termo de
probabilidade, ((WIKIPEDIA, op cit). Ela, a entropia sempre aumenta, porque uma grande quantidade
de desordem é, por definição, mais provável do que se o sistema for ordenado. Pode-se demonstrar isso
sob várias maneiras, verificando se a entropia de um sistema aumentou mesmo, e em ambas as
maneiras obteremos a mesma resposta, (BERTULANI, s/d), assim:
a) a entropia aumenta quando calor passa de um objeto mais quente para um objeto mais frio
b) a entropia aumenta quando o gelo derrete ou então quando a água é aquecida ela pode entrar em
ebulição, evaporando, neste caso o calor passa do ar para a água e vice versa, etc.
c) também, a entropia aumenta quando um gás passa de um meio sob pressão para outro de pressão
mais baixa.
Mas quando a água esfria ou até congela, a entropia diminui?.
Sim, se considerarmos como um estado inicial de matéria e isto não viola a segunda lei da
termodinâmica, pois por outro lado alguma coisa sofreu aumento de energia. Ela só nos diz que a
entropia total do universo sempre aumenta. A entropia pode diminuir em algum lugar, desde que ela
aumente em outro lugar pelo menos da mesma quantidade. A entropia de um sistema diminui somente
quando ele interage com outro sistema, este tendo sua entropia aumentada no processo, (BERTULANI,
op cit).
Considere um sistema em duas condições diferentes, por exemplo 1kg de gelo a 0oC, que derrete e
torna-se em 1kg de água a 0oC. Associamos a cada condição uma quantidade chamada de entropia. A
entropia de uma substância é uma função da condição da substância. A entropia é independente da
história passada da substância. Assim, a entropia de 1kg de água a 0oC é a mesma daquela obtida do
gelo derretido, ou se esfriarmos a água da temperatura ambiente para 0oC, (BERTULANI, op cit). Para
um sólido e líquido ela é função de sua temperatura e estrutura interna, (para um gás ideal ela é uma
função de sua temperatura e volume).
Ainda mais, vamos explicar melhor todo esse conceito. Podemos pensar como se tivéssemos uma
série de moedas. Uma ordem perfeita é aquela onde todas as moedas apresentam cara ou todas
apresentam coroa. Para qualquer número de moeda, existe somente uma combinação que corresponde
a esta situação, aparecendo só o lado cara ou aparecendo só o lado coroa. Agora, aleatoriamente,
aparecendo moedas com cara e aparecendo moedas com coroa haverá muitas outras combinações que
resultam em sistemas desordenados ou misturados, onde uma parte é cara e o resto é coroa.
Aumentemos do número de moedas, e então aumenta-se o número de combinações que
correspondem a sistemas desordenados. Para um número muito grande de moedas, o número de
combinações correspondendo a ~50% coroas e ~50% caras são as mais prováveis, e obter um resultado
de 50/50 fica muito mais provável. Quanto maior o número de moedas, maior será a chance de se obter
os 50% de cada.
Como se percebe, a entropia ocorre quando um sistema tende naturalmente para o desordem, tendendo
ao máximo ou entropia máxima, a medida que se aumente o número de dados de uma ou várias
ocorrências ou variáveis, chegando-se à proximidade de acerto máximo das mesmas, (entropia máxima).
Mas o que isso tem haver com a aqüicultura?
Em aqüicultura, tomando-se o sistema como um todo, quanto às relações só da variável temperatura
com o sistema aquáticos, (lago, tanque, represa, etc.) e do conceito de caloria, tem-se constantemente a
ocorrência natural de ações e resultados em uma desordem aparentemente cada vez maior, (embora se
pareça, as vezes, estável), a medida que ocorrem dezenas, centenas e milhares de inter-relações. Em
cada momento, em cada instante, em cada ponto, em cada local, em cada profundidade, em cada área
longitudinal ou vertical, têm-se e ocorrem variações ou trocas de calor, do maior para um menor valor,
sempre numa tendência de equilíbrio entre as partes. Isso ocorre aleatoriamente sob a lei da
probabilidade. Só um acompanhamento, tabulação e a procura de interpretações das ocorrências é que
permite chegar ao máximo entendimento dessa notável dinâmica comportamental, portanto tendendose à entropia máxima. Então, é a probabilidade servindo para o acerto de uma ou várias ocorrências. O
conceito de entropia pode ser aplicado à todas as variáveis físicas, químicas e biológicas, de um sistema.
No caso da temperatura em sistemas aquáticos utilizados para manutenção, criação e reprodução de
organismos aquáticos, deve-se sempre ter em mente que tal variável controla o fluxo de calor entre dois
meios, o liquido e o gasoso, tendendo ao equilíbrio, podendo-se supor o mesmo para qualquer sistema
natural, aonde tende-se a atingir sua entropia máxima.
Pode-se dizer então que exista uma relação direta entre as ocorrências ou variações na temperatura e
sua entropia. Tal relação, por sua vez depende do trabalho exercido, do calor gerado e da temperatura do
sistema. E isso é energia. A energia sempre se conserva, permanece a mesma, só aumentando de
tivermos acréscimo de trabalho. Mas a entropia sempre aumenta.
Só os acima expostos justificaria a monitoração, determinação constante e/ou mesmo diária das
variáveis temperatura do ar e da água, (vale para todas as outras variáveis), quando de um
empreendimento aqüicola sério e que queira ser rentável e lucrativo.
Ai, com tal procedimento, certamente diminui-se as tidas surpresas desagradáveis e na maioria das
vezes com justificativas esdrúxulas, como: foi culpa do tratador, (peão), o vizinho “pós olho gordo”, ou
esse peixe/espécie é muito sensível a qualquer alteração na temperatura, etc., etc., e tal. Quanto mais
determinações se tenha, mais chance de ocorrer acertos nas explicações dos porquês das possíveis
ocorrências.
Energia
O Sol, além de fonte de vida, é a origem de toda as formas de energia que o homem vem utilizando
durante sua história e pode ser a resposta para a questão do abastecimento energético no futuro, uma
vez que aprendamos a aproveitar de maneira racional a luz que esta estrela constantemente derrama
sobre nosso planeta.
Brilhando a mais de 5 bilhões de anos, calcula-se que o Sol ainda nos privilegiará por outros 6
bilhões de anos, ou seja, ele está apenas na metade de sua existência e lançará sobre a Terra, só neste
ano, 4000 vezes mais energia que consumiremos, (SZOKOLAY, 1978).
A Terra recebe energia radiante do Sol a um regime de 173x1015 W (*), emitindo uma quantidade
idêntica. Esta é uma condição do equilíbrio. A emissão depende da temperatura da Terra, ou seja, a
temperatura do planeta tal qual o conhecemos é a temperatura de equilíbrio na qual a admissão é igual
à emissão de radiação. Assim, se a admissão mudasse por qualquer razão, a temperatura de equilíbrio
também se modificaria.
(*) Área projetada da Terra = (6.3x106)2 x 3,14 = 124x1012 m2;
Constante Solar = 1395 W/m2;
Energia recebida = 124x1012 x 1395 = 173x1015 W
Aproximadamente 30% da radiação entrante na Terra, se reflete sem mudança na amplitude de
onda. Cerca de 47% é absorvida pela atmosfera e pela superfície terrestre, provocando um aumento de
temperatura e, em seguida, irradia-se novamente para o espaço. Apenas os 23% restantes penetram no
sistema terrestre e passam a ser a força motriz de ventos, correntes, ondas, modela nosso clima e
proporciona o ciclo da água. Em última instância, também será re-irradiado ao espaço.
Somente 0,02% desses 23%, penetra no sistema biológico, por fotossíntese, nas plantas e em
outros organismos "produtores". Uma pequena proporção da energia armazenada como energia
química em plantas e tecidos de corpos animais se acumularam com durante milhões de anos, sob
condições geológicas favoráveis, na forma de carvão e óleos minerais, convertendo-se em nossas
reservas de combustíveis fósseis.
Então, a energia irradiada pelo Sol é a fonte de quase toda energia disponível ao homem, seja
como energia vital ou força motriz e de transformação na execução de tarefas cotidianas. No nosso
ecossistema, através de diversos ciclos naturais, a radiação solar é convertida em diversos outros tipos
de energia. Mas, corriqueiramente, o termo "Energia Solar" só é utilizado para expressar as formas de
aproveitamento da radiação solar direta. As formas de aproveitamento indireto, que se valem do
aproveitamento de energia produzida em sistemas, processos ou fenômenos que têm a radiação solar
como fonte primária, geralmente são referidas de forma específica, (retirado do site:
www.aondevamos.eng.br – textos), assim:
- Biomassa - a energia química, produzida pelas plantas na forma de hidrocarbonetos através da
fotossíntese - processo que utiliza a radiação solar como fonte energética - é distribuída e armazenada nos
corpos dos seres vivos graças a grande cadeia alimentar, onde a base primária são os vegetais. Plantas,
animais e seus derivados são biomassa. Sua utilização como combustível pode ser feita das suas formas
primárias ou derivados: madeira bruta, resíduos florestais, excrementos animais, carvão vegetal, álcool,
óleos animal ou vegetal, gaseificação de madeira, biogás, etc.
- Hidroenergia - energia cinética das massas de água dos rios, que fluem de altitudes elevadas para
os mares e oceanos graças a força gravitacional. Este fluxo é alimentado em ciclo reverso graças a
evaporação da água, elevação e transporte do vapor em forma de nuvens, naturalmente realizados pela
radiação solar e pelos ventos. A fase se completa com a precipitação das chuvas nos locais de maior
altitude. Sua utilização é bastante antiga e uma das formas mais primitiva é o monjolo e a roda d’água. A
hidroenergia também pode ser vista como forma de energia potencial; volume de água armazenada nas
barragens rio acima. As grandes hidrelétricas se valem das barragens para compensar as variações
sazonais do fluxo dos rios e, através do controle por comportas, permitir modulação da potência
instantânea gerada nas turbinas.
- Energia eólica - energia cinética das massas de ar provocadas pelo aquecimento desigual na
superfície do planeta. Além da radiação solar também têm participação na sua formação fenômenos
geofísicos como: rotação da terra, marés atmosféricas e outros. Os cata-ventos e embarcações a vela são
formas bastante antigas de aproveitamento. Os aerogeradores modernos de tecnologia recente têm se
firmado como uma forte alternativa na composição da matriz energética de diversos países.
Pode se distinguir várias formas de captação de energia solar: basicamente como conversão
térmica, química e elétrica.
- conversão térmica: os métodos de conversão térmica da energia solar se fundamentam na
absorção da energia radiante por uma superfície captadora; envolve difusão, absorção de fótons,
aceleração de elétrons, múltiplas colisões, mas o efeito final é o aquecimento, ou seja, a energia
-
-
radiante de todas as qualidades (todas as amplitudes de onda) se transformam em calor, pois as
moléculas das superfícies se excitam, ocorrendo um incremento na temperatura; os captadores
são a forma mais comum de captação de energia, convertem a energia solar com baixo custo e de
forma conveniente; o processo geral empregado é o de efeito estufa, o nome vem da própria
aplicação, em estufas, onde se pode criar organismos exóticos em climas frios, pela melhor
utilização da energia solar disponível.
conversão química: as formas mais importantes de conversão química da energia solar são os
processos foto-bioquímicos; os organismos biológicos classificados como produtores sintetizam
carbohidratos a partir de água e dióxido de carbono, absorvendo energia solar e a armazenando
em forma de ligações químicas; essa energia se dissipa através da cadeia alimentar e, em última
instância é re-irradiada ao espaço, (SZOKOLAY)
conversão elétrica: a conversão direta da energia solar em energia elétrica pode ocorrer através
de dois processos: conversão termoelétrica e conversão fotoelétrica, cada um deles podendo ser
realizado de diversas maneiras.
Bibliografia recomendada
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BERTULANI, C.A . -A segunda lei da termodinâmica; UFRJ. Projeto de Ensino de Física a
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SVOLOLAY. S.V. -Energia Solar y Edificacion; Editorial Blume, 1978. IN: Energia Solar;
elaborado por: Carlos Arthur de Oliveira Fernandes & Vinícius Mendes Guaronghi
Sem conhecimento não existe cultura
Sem cultura não existe ciência
Sem ciência não existe desenvolvimento
H.B. de Pádua2005