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Identificação

TIT: Transformações e EnergiaAUT: Grupo de Pesquisa em Educação Química - GPEQREF: Interações e Transformações - Química para o 2o Grau - Livro do Aluno / GEPEQ/IQ-USP, EDUSP, São Paulo, 1993. Capítulo IV.1. pag. 193-204.CLA: Reprod. de capítulo introdutório de livro didáticoREC: Alunos e professores de segundo grauTEM: Evolução das sociedades, Consumo (variação e demanda de energia), Petróleo e derivados, Motor de explosão, Eletricidade, Pilha.RES: A origem e as mudanças ocorridas na vida e nas sociedades estão intimamente ligadas à obtenção e formas de utilização de energia. Desta forma, o conhecimento da geração e da transformação de um tipo de energia em outro é de suma importância dentro do mundo modermo. Os estudos sobre eletricidade vieram atender às necessidades da indústria no século XIX.ARQ: Metabolizando - Série Beta, BB57005J.DOC

TRANSFORMAÇÕES E ENERGIA

A vida vegetal e animal em nosso planeta só é possível através de processos de transformação de energia. Crescimento, movimento e reprodução, atributo básico dos seres vivos, dependem fundamentalmente desses processos.

Assim, por exemplo, os hidratos de carbono, considerados como uma das fontes de energia para os organismos, são produzidos por processos em que a energia radiante do sol é transformada.

Na fotossíntese, através da absorção de luz solar - energia radiante - são formados, no interior das células vegetais, hidratos de carbono e gás oxigênio, a partir de água e gás carbônico. A equação abaixo representa o processo:

H2O(l) + n CO2(g) ### (CH2O)n (s) + n O2 (g)

água gás hidrato gáscarbônico de carbono oxigênio

Mas, além das transformações de energia processadas pelos organismos para a manutenção da vida, a formação e transformação das sociedades humanas também se relaciona às fontes e formas de utilização de energia.

Para os homens das cavernas, que dispunham, inicialmente, apenas de sua força muscular, o controle e o uso do fogo, produzido a princípio pela combustão da madeira, significou uma ruptura definitiva com a vida animal. As transformações químicas, como a cocção dos alimentos, a produção de utensílios cerâmicos, de metais como o ferro e de ligas metálicas como o bronze, só se tornaram possíveis com a energia calorífica do fogo.

Existem evidências de que os metais já eram trabalhados pelo homem por volta de 5000 a.C. Esta ilustração egípcia de 1900 a.C. mostra diversas etapas do trabalho com ouro.

O consumo médio de energia através dos séculos tem aumentado muito, como se pode notar analisando a tabela 1.1.

Tabela 1.11

Evolução do Consumo Médio Humano Diário de Energia per Capita (em 103 kcal)___________________________ _______ _______ _______ ________________ 50 100 150 200Homem Tecnológico

Homem Industrial

Homem Medieval

Homem Agrícola

Homem Caçador

Homem Primitivo

O homem primitivo consumia apenas a energia contida em sua alimentação. O caçador, que utilizou o fogo, consumia energia adicional na cocção. O homem agrícola, sedentarizado, utilizava também a energia animal em seus trabalhos no campo. O homem medieval europeu adicionou os moinhos de vento e as rodas d'água. O homem industrial (Inglaterra, século XIX) introduziu a máquina a vapor e o tecnológico (EUA, século XX), a eletricidade e os motores a combustão interna.

Ao considerar o consumo crescente de energia através da história, utilizamos a expressão "consumo médio". Isto porque existem disparidades quanto ao consumo energético entre países ou mesmo entre regiões.

A Tabela 1.2 indica o consumo de energia por região em tonelada equivalente de petróleo (TEP).

Tabela 1.22

Consumo de energia (TEP/hab) - 1981América do Norte 7,0União Soviética 3,9Europa Oriental 3,2Europa Ocidental 2,9Japão 2,5América Latina 0,8Oriente Médio 0,7China 0,4África 0,1Média mundial 1,3BRASIL 1,2

As desigualdades na repartição das riquezas e do produto do trabalho entre países desenvolvidos ou não, entre regiões desses países, entre cidades e o meio rural e entre classes sociais,

1 A. Oliveira. "Energia e Sociedade", Ciência Hoje, vol. 5, n. 29, p. 38, mar. 1987.2 L. P. Rosa, "Na Gangorra do Petróleo", Ciência Hoje, vol. 4, n. 24, p. 59, maio-jun. 1986.

refletem-se perfeitamente na divisão e no consumo de energia, especialmente nas duas formas comerciais, como energia elétrica e derivados de petróleo e carvão3.

A demanda de energia de uma sociedade depende fundamentalmente da estrutura do setor produtivo, seu nível de atividades e suas opções tecnológicas, da estrutura do setor de transportes, do crescimento populacional e da distribuição de renda dentro do tecido social. Todos esses fatores influenciam direta ou indiretamente, com pesos diferenciados, no nível de consumo de energia4.

Alguns processos vividos pelo homem situam-se como marcos, que indicam um consumo cada vez mais acentuado de energia a partir da produção do fogo.

A utilização do fogo e da tração animal na agricultura iniciou um processo de sedentarização, que culminou com a instalação de grandes impérios, aprofundando a divisão do trabalho e da sociedade em classes. A energia da mão-de-obra escrava passou a ser responsável pela manutenção da economia, mesmo entre povos como os gregos, que dispunham de tecnologia capaz de explorar outras fontes, no caso, a eólica e a hidráulica. Dessa forma, até nossos dias, uma fonte de energia é privilegiada em relação a outras devido aos custos de exploração, à sua abundância e a políticas econômicas que fortalecem um setor em detrimento dos demais.

A expansão dos impérios, baseada na exploração do trabalho escravo, levou a uma situação de revoltas sucessivas. Os impérios enfraqueceram-se. Na ausência de mão-de-obra escrava e em busca da maior produtividade pela multiplicação da potência, teve início um processo de deslocamento do uso da energia humana para os recursos naturais.

Durante a Idade Média generalizou-se o uso de rodas d'água, de moinhos de vento e da tração animal na agricultura.

O alto-forno a carvão vegetal, já no século XIV, permitiu a fabricação de instrumentos agrícolas, que proporcionavam maior produtividade, aumentando o consumo energético. Para alimentar o alto-forno, as florestas foram sendo dizimadas, e o carvão mineral, um recurso esgotável, substituiu o vegetal.

Com o advento da máquina a vapor, no século XVII, que tem origem num sistema de aeração inventado para permitir o trabalho em minas de carvão já bastante profundas, a chamada Revolução Industrial ganhou impulso. A máquina passa a ser o principal instrumento de trabalho nas fábricas, embora ainda coexistindo com formas de produção artesanal. As diferenças sociais e o consumo energético aumentam. A grande transformação ocorre na indústria têxtil, com o tear a vapor, e nos transportes, com a locomotiva. As cidades crescem.

Mais tarde, também a máquina a vapor se mostrou limitada quanto ao uso, à potência e ao rendimento.

O petróleo, embora fosse conhecido desde a Antiguidade, foi obtido pela primeira vez através de perfuração de poços em 1859. Utilizado na solução do problema de iluminação urbana, é hoje um dos responsáveis pela movimentação de motores de explosão devido às características de seus de seus derivados.

Num motor de explosão, a energia liberada pela combustão da gasolina - ou álcool, diesel, querosene, gás etc. - permite a movimentação do veículo, conforme indica o esquema que se segue.

O motor do automóvel é um motor de explosão a quatro tempos:

3 L. P. Rosa, artigo citado.4 D. Rodrigues, "Energia e Classes Sociais no Brasil" (resenha do livro de A. C. Bôa Nova, São Paulo, Loyola, 1985), Revista do Ensino de Física, vol. 7, n. 2, p. 33, dez. 1985.

1) AdmissãoO pistão, que se encontrava na parte superior da câmara de explosão, desce pelo

movimento do eixo e a mistura de ar e vapor de combustível penetra na câmara de explosão (C) através da válvula de admissão (A), que se encontra aberta. Neste momento a válvula de escape (E) se mantém fechada.

2) CompressãoAs válvulas de admissão (A) e de escape (E) estão fechadas. O pistão sobe e, à medida

que diminui o volume ocupado pela mistura, a pressão aumenta. Como conseqüência, ocorre aumento da temperatura.

3) ExplosãoNeste tempo, o dispositivo denominado vela (V) solta uma faísca que inflama os gases

comprimidos. Esta inflamação é extremamente rápida e os gases se queimam totalmente antes que o pistão tenha tempo de começar a descer. O calor desenvolvido aumenta consideravelmente a pressão e a temperatura, causando a expansão dos gases, que empurram fortemente o pistão para baixo.

4) ExpulsãoA válvula de admissão (A) está fechada e a válvula de escape (E), aberta. Os gases

"queimados" são expulsos para a atmosfera pela válvula aberta, através do movimento ascendente do pistão, determinado pelo eixo do motor já em movimento. Ao final deste quarto tempo a válvula de escape se fecha enquanto a de admissão se abre recomeçando o ciclo5.

Durante o século XIX, a ciência passou a ser cada vez mais aplicada às necessidades da indústria emergente. Dessa relação é que e se originaram os estudos sobre a eletricidade.

Os fenômenos elétricos já eram conhecidos desde o século VI a.C., mas a produção de corrente elétrica de forma controlada só foi obtida a partir dos trabalhos de Luigi Galvani (1737-1798) , físico e médico, e Alessandro Volta (1745-1827), físico, ambos italianos. Volta descobriu que a corrente elétrica poderia se manifestar na interação de metais e soluções, construindo, em 1800, uma pilha. O empilhamento de discos de zinco e prata, separados por folhas de papel umedecidas com água salgada, mostrou ser capaz de produzir corrente elétrica. O nome "pilha" vem daí.

Pilha de Volta6

5 Adaptado de F. Ramalho Jr., Os Fundamentos da Física, São Paulo, Moderna, 1984, vol. 2, pp. 155-156.6 F. J. Moore, A History of Chemistry, Nova Iorque e Londres, MacGraw-Hill Book Company, 1939, p. 1376.

Mais tarde, Humphry Davy (1778-1829), químico britânico, estudando os fenômenos elétricos, concluiu que as transformações químicas e elétricas são fenômenos conceitualmente distintos, porém produzidos pela mesma força: a atração e repulsão de cargas elétricas. A origem da produção de corrente é o contato. Mas, quando os metais estão conectados, as cargas tendem a se neutralizar, e a transformação química que ocorre é que restaura a corrente.

O mesmo arranjo da matéria ou as mesmas forças atrativas, que tornam os corpos positiva ou negativamente carregados, isto é, que os tornam eletricamente atrativos, pode, da mesma forma, tornar as partículas carregadas permitindo a combinação, quando livres para moverem-se7.

Os estudos de Jons Jacob Berzelius, sobre a produção de transformações químicas através de corrente elétrica - eletrólise -, permitiram ao físico inglês Michael Faraday (1791-1867), mais tarde, verificar relações de proporcionalidade entre quantidade de matéria e corrente elétrica. Dos estudos de Davy e de Faraday, entre outros, pôde-se concluir que as transformações poderiam gerar corrente elétrica e esta poderia gerar transformações.

Na primeira metade do século XIX, a obtenção de energia elétrica em maior escala foi conseguida com a utilização dos dínamos: geradores de corrente que necessitam de grande quantidade de energia mecânica. Os motores elétricos então construídos eram silenciosos, não poluentes e baratos.

As turbinas hidráulicas permitiram a multiplicação da potência e o aproveitamento da energia mecânica, transformando-a em elétrica. Ao final desse século, todo o sistema técnico envolvido na eletricidade já era conhecido.

Numa usina hidrelétrica, a água, caindo de grande altura, movimenta as pás da turbina que, por sua vez, através do eixo, faz movimentar o gerador. Numa termelétrica, a combustão, geralmente do carvão, funciona como fonte de energia que aquece a água gerando vapor. Este movimentará as pás da turbina e, então, o gerador. No gerador a energia mecânica se transforma em elétrica, que, conduzida através dos cabos, chega até nossas casas.

7 J. R. Partington, A Short History of Chemistry, Londres, MacMillan, 1948, pp. 190-195.

No século XX, o petróleo passou a alimentar o sistema industrial, o automóvel, o trator, o avião. Mas é óbvio que, sendo o petróleo uma fonte de energia fóssil e, portanto, de caráter não renovável, assim como o gás natural e o carvão, as limitações dessa estrutura logo se mostrariam.

A energia nuclear passa a ser difundida após o final da Segunda Grande Guerra, pretensamente como substituta às fontes não renováveis. É possível se obter energia elétrica a partir de transformações nucleares. No entanto, problemas decorrentes dessa fonte de "energia do futuro", como proliferação de armas, problemas ambientais, a questão do lixo atômico e os riscos de acidentes, não foram equacionados.

Algumas fontes de energia e sua destinação final no Brasil podem ser observadas na Tabela 1.38.

Tabela 1.3

As fontes renováveis permanecem inesgotáveis, porém são disponíveis em uma potência finita, uma vez que apenas certa quantidade pode ser produzida por intervalo de tempo.8 L. P. Rosa, "Na Gangorra da Balança", Ciência Hoje, vol. 4, n. 24, p. 60, maio-jun. 1986.

O petróleo, o gás natural, o carvão e o urânio são esgotáveis. Quanto ao petróleo, por ser de origem fóssil, deverá ser substituído por outras fontes. O governo brasileiro optou pelo álcool no que se refere aos automóveis. A partir de 1980, o álcool adquiriu importância crescente nos transportes, podendo ser utilizado em adição à gasolina ou mesmo na forma hidratada. Porém, o custo do álcool comprado pela Petrobrás nos últimos anos tem sido superior ao preço de venda, o que torna esse tipo de substituição uma questão polêmica.

No caso das usinas hidrelétricas, que parecem não ter efeitos tão destrutivos, pois não poluem o ar ou as águas, sua construção pode significar o alagamento de grandes áreas, o desaparecimento de matas, cidades e povoados, bem como de seus habitantes e culturas.

Com relação à eletricidade no Brasil podemos dizer que ela tem duas características: é nacional e tem origem quase exclusivamente hídrica, o que exigiria um planejamento eficaz das centrais para que as necessidades sejam supridas. [...] A crise econômica sofrida pelo país nos primeiros anos da década de 80, aliada ao exagero da concentração de investimentos em grandes obras, deixou o setor elétrico em dificuldades [...] o setor elétrico absorveu grande parte da dívida externa do país e o problema de suprimento de energia ainda não foi solucionado9.

A saída apontada por ecologistas para a crise energética é a utilização de meios renováveis de energia. No entanto, a solução está longe de ser alcançada. A crise energética persiste.

Questões para discussão

1) No Brasil, a distribuição do consumo de energia apresenta-se de forma desigual, principalmente se levarmos em consideração as várias regiões. Veja o gráfico10.

Distribuição de Energia por Regiões em Porcentagem

(Fonte: Anuário Estatístico do Brasil, 1982)

Levando-se em conta as considerações apresentadas no texto, a que fatores você atribui as diferenças observadas entre as regiões Sudeste (SE) e Norte (N) em relação ao consumo de energia?

2) Identifique os fatores que são considerados relevantes em relação à produção e ao consumo de energia de acordo com cada uma das opiniões apresentadas nos textos que se seguem.

9 A. Oliveira, "Energia e Sociedade", Ciência Hoje, vol. 5, n. 29, p. 30, mar. 1987.10 M. Adas, Panorama Geográfico do Brasil, São Paulo, Moderna, 1986, p. 250.

Balbina teve "guerra"11

Do enviado especial

A hidrelétrica de Balbina foi tema de uma verdadeira guerrilha entre técnicos da Eletronorte e militantes ambientalistas. Um dos mais ativos entre os desta última trincheira é Rogério Gribel, 30, engenheiro florestal e pesquisador do Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA), assíduo freqüentador de debates sobre a usina.

O grande impacto ambiental de Balbina, segundo Gribel, decorre da topografia desfavorável, que redunda em um lago imenso, de pouca profundidade, para gerar relativamente pouca energia. Essas condições, associados a um elevado "tempo de residência" (tempo médio de permanência das águas no lago), fazem prever uma acentuada deteriorização na qualidade das águas. Em especial, aumento da acidez e diminuição do oxigênio dissolvido, o que segundo os críticos do projeto pode inviabilizar seu uso para abastecimento ou piscicultura pelo prazo de até dez anos. A conseqüente mortandade de peixes atingiria também os 30 km de rio a jusante da barragem.

Tais condições, segundo Gribel, levam a comparar Balbina antes com a hidrelétrica de Brokopondo, no Suriname, do que com Tucuruí (veja quadro). Nos dois primeiros anos de operação de Brokopondo, os operadores tiveram que usar máscaras contra gases. A mortandade de peixes atingiu 100 km a jusante.

A Eletronorte, através do assessor de imprensa Laércio Silva, nega que exista qualquer previsão de extermínio de peixes em conseqüência da qualidade da água. Mas reconhece que a hidrelétrica de Cachoeira Porteira, no rio Trombetas, com o início de construção previsto para o ano que vem e capacidade final de 1.400 MW, poderá suprir sozinha a cidade de Manaus - principal justificativa de Balbina. Silva considera porém "otimista" a inauguração de Cachoeira Porteira em 1996, como fora inicialmente previsto. (ML)

11 Folha de São Paulo, 13.2.1989.

Os Números Gerados pelas Hidrelétricas

Índios encerram reunião com 'Declaração de Altamira'12

Da RedaçãoOs índios brasileiros, cujos representantes se reuniram durante toda semana em

Altamira (461 km a oeste de Belém) para o 10 Encontro das Nações Indígenas do Xingu, "vão vigiar as ações do governo" para lutar contra a destruição da Amazônia diante da construção de usinas hidrelétricas. A afirmação está contida na "Declaração Indígena de Altamira", elaborada por 300 índios de 20 tribos, e foi divulgada ontem por Paulo Payakan, cacique da tribo caiapó, durante uma das reuniões do encontro, que se encerrou ontem.

Os índios brasileiros, à época do descobrimento, eram cerca de cinco milhões distribuídos principalmente pelo litoral, mas existentes também no interior do país. Hoje, depois de quase 500 anos, a população indígena não ultrapassa 200 mil, sendo que a maioria das tribos ainda não atingidas pelo processo de aculturação se concentra nas regiões centrais como a Amazônia.

A seguir, a íntegra da "Declaração Indígena de Altamira", divulgada ontem:"As nações indígenas do Xingu, junto com parentes de muitas regiões do Brasil e do

mundo, afirmam que é preciso respeitar a nossa Mãe Natureza.Aconselhamos não destruírem as florestas, os rios, que são nossos irmãos.Decidimos que não queremos a construção das barragens no rio Xingu e em outros rios

da Amazônia, pois ameaçam as nações indígenas e os ribeirinhos.Durante muito tempo o homem branco agrediu nosso pensamento e o espírito dos

nossos antigos. Nossos territórios são os sítios sagrados do nosso povo, moradia do nosso criador, que não podem ser violados.

Neste encontro dos povos indígenas do Xingu decidimos vigiar as ações do governo para impedir mais destruição, juntar forças com o Congresso Nacional e com o povo brasileiro, para juntos protegermos essa importante região do mundo, nossos territórios."

12 Folha de São Paulo, 25.2.1989.