A reinvenção da geladeira

Efeito MagnetoCalóricoEMC

Refrigerador Pioneiro: General Electric “Monitor-Top" - 1927.

Compressor no topo+ 1,000,000 unidades produzidas.

dióxido de enxofre – corrosivo aos olhos – perda da visão

– queimaduras doloridas na pele

Methyl formate – altamente inflamável – corrosivo aos olhos

– tóxico se inalado ou ingerido

Muitas destas unidades ainda funcionam até hoje,mas não podem ser legalmente recarregadas.

Refrigerador de absorção:

Utiliza uma fonte de calor (solar, querosene, gás, etc).Útil para onde não há energia elétrica.

Usa amônia em vez de HCFC

Princípio:

- Utiliza um refrigerante com baixo (sub-zero) ponto de ebulição. Quando o refrigerante evapora ou ferve ele leva junto o calor (o mesmo princípio que os refrigeradores a compressor).- Faz o refrigerante voltar a ser líquido usando um método que necessita somente uma fonte de calor e não possui partes móveis.

Refrigeração termo-elétrica(efeito Peltier)

5–10% da eficiência do refrigerador ideal(ciclo de Carnot), comparado com 40–60%alcançado pelo sistema convencional dos sistemas a compressores.

Usado em - acampamentos, satélites, secadores de ar - detetores de fotons CCDs em telescópios astronômicos ou câmaras digitais especiais,- “coolers” para componentes de computadores (“overclocking”)

Coleman", 12V-4.5A (55W).

indústrias, residências e casas comerciais

Princípio: compressão e descompressão de um gás.

Fonte de energia: rede elétrica

Consumo: rendimento 40% (relativo ao rendimento de Carnot)

O gás usado geralmente é um freon: compostos de cloro, flúor e carbono(os chamados CFCs) ou de hidrogênio, cloro, flúor e carbono (os HCFCs).

Tais gases, são apontados como os principais responsáveis pela destruição dacamada de ozônio existente na atmosfera, que protege todos os seres vivos daradiação ultravioleta produzida pelo Sol.

Refrigeradores comerciais a compressor( os mais comuns)

ozone depletion potentials (ODP),

global warming potentials (GWP),

http://www.epa.gov/Ozone/science/ods/index.html

1,1,1,2-Tetrafluoroethane

Genetron 134aHFA-134aHFC-134aR-134aSuva 134aNorflurane

-Insignificante ODP (camada de ozônio),

-Significante GWP = 1300 (aquecimento global) (GWP do dióxido de carbono é definido como = 1.0)

- Insignificante potencial de acidificação (chuva ácida)

Ozônio está na estratosfera (10-50 Km), filtra UV de baixo comprimento de onda (<320 nm),e representa apenas 0.00006% da atmosfera.

O2 + photon (< 240 nm) → 2 O

O + O2 → O3

O3 é destruído por reação com oxigênio atômico:

O3 + O → 2 O2

Reação esta que é catalisada na presença de certos radicais livres,hydroxilas (OH), óxido nítrico (NO) e cloro (Cl) e bromo (Br) atômicos.

CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl

Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O3 → Cl + 2 O2

Um único átomo Cl pode ficar destruindo O3 por até dois anos !

Um único átomo Cl é capaz de reagir com 100,000 O3.

Imagem do maior buraco de Ozônio(Setembro 2006).

1805 - Oliver Evans, inventor americano - evaporação de éter1834 - Jacob Perkins, americano - compressão de vapor, utilizando éter sulfúrico, técnica utilizada até hoje.

Substâncias refrigerantes - alta toxicidade ou inflamabilidade.

1928 - Thomas Midgley, engenheiro americano - desenvolveu os CFC, compostos com cloro, flúor e carbono – não-tóxicos, não-inflamáveis, não-corrosivos e sem odor. Essas substâncias foram usadas sem restrição até que,1974 - Sherwood Rowland, americano e Mario Molina, mexicano, descobriram que poderiam destruir a camada de ozônio na alta atmosfera, fato confirmado, em1985 - pela British Antarctic Survey.1995 - A descoberta de Molina e Rowland garantiu-lhes o Prêmio Nobel de Química.1987 - Protocolo de Montreal1998 - Protocolo de Kyoto

As fábricas de refrigeradores passaram a trocar então os CFCs pelo hidrofluorcarbono (HFC), também prejudicial à camada de ozônio em alguma medida e fortemente contribuintes ao aquecimento global.No contexto atual, a busca por novas tecnologias de refrigeração tem sido uma constante.

Novo princípio:

Refrigerador por Desmagnetização Adiabática (RDA)

ou

Adiabatic Demagnetization Refrigerator (ADR)

Diziam que Arquimedes utilizouum imã para arrancar os pregos de um navio inimigo e o afundou!

Magnetita – Fe3O4

Ferrimagnético – Tc = 858 K

Magnetismo – anterior a 1700 d.c.

Bússolas: navegação chineses 1115 d.c.

1820  -  Hans Christian Oersted mostrou que a corrente elétrica em um fio orienta uma bússola perpendicularmente.1820  -  Andre Marie Ampere, mostrou a força entre dois fios com corrente.1831  -  Michael Faraday mostra que correntes dependentes do tempo em um circuito induz correntes em circuitos vizinhos.

1800 – A descoberta do eletromagnetismo

Magnetismo na matéria Porque os magnetos se parecem com solenóides?

A linhas de campo do solenóide “imitam” as do magneto!

Solenóide Magneto

Mecânica QuânticaSerá que podemos entender o magneto em termos de correntes permanentes que circulam nas órbitas atômicas dos átomos de ferro?

Correntes atômicas?

Além do movimento orbital, o elétron também gira (spin) em torno do seu próprio eixo (como a Terra).

A corrente associada a este movimento intrínseco dá origem ao campo magnético do Ferro. Em algumas substâncias os elétron giram em diferentes eixos e o magnetismo se cancela.

No caso do Ferro, por razões “misteriosas”, muitos elétrons giram com os seus eixos alinhados e por este motivo o Ferro é magnético.

A discussão completa deste assunto é uma questão profunda da mecânica quântica.

Alguns tipos de magnetismo

Diamagnetismo

M = B M : momento magnético / unidade de volumeB : intensidade do campo macroscópico aplicado : susceptibilidade por unidade de volume

Diamagnetismo é comum a quase todos os materiais mas é normalmente pequeno comparado com outros tipos de magnetismo. Sua origem é orbital (blindagem). É caracterizado por uma susceptibilidade magnética negativa e independente da temperatura.

Em um paramagneto ideal não há acoplamento entre os momentos magnéticos intrínsecos (spin) de diferentes átomos.A orientação de cada momento é perturbada pelo efeito térmico.Alinhamento parcial é induzido pelo campo aplicado.Paramagnetismo ideal é caracterizado por uma susceptibilidade de Curie.

Alguns tipos de magnetismo

Paramagnetismo

Alguns tipos de magnetismo

Ferromagnetismo

Antiferromagnetismo

Modelo simples no qual um pequeno campo aplicado pode orientaros momentos magnéticos, resultando em uma multiplicação do campo aplicado.

Em vez de reorientação, o que mais ocorre é ocrescimento de domínios paralelos ao campo,às custas da diminuição dos outros.

Este é o caso ao lado, que representa uma imagemdo que é realmente observado em cristais de Níquel.

Ferromagnetismo

Materialtemperatura de

Curie (K)

Fe 1043

Co 1388

Ni 627

Gd 293

Dy 85

CrBr3 37

Au2MnAl 200

Cu2MnAl 630

Cu2MnIn 500

EuO 77

EuS 16.5

MnAs 318

MnBi 670

GdCl3 2.2

Fe2B 1015

MnB 578

Temperaturas de Curiede

alguns materiais ferromagnéticos

Os efeitos magnetocalóricos nos compostosferromagnéticos são maiores em torno da

temperatura de Curie (diferente paracada material).

Ferrofluido sobre um vidrocom um magneto abaixo

Zoom

FerroFluido

Misturas coloidais compostas de nanopartículasferro ou ferrimagnéticas, suspensas em umfluido, usualmente solvente orgânico ou água.

- Paramagnetismo e super-paramagnetismo- Sêlos de rotores em HD- Condução de calor e redução de ressonâncias em alto-falantes- Suspensão de automóveis controladas por computador- máquinas de academias de ginástica

GadolínioRefrigeração MagnéticaEfeito Magnetocalórico

Temperatura de Curie293 K (200C)

1881 – descoberta do efeito magnetoclórico.1926 – ADR por inclusão de sais paramagnéticos (1-100 mK): 3He/4He – 0.3 K1932 – prêmio Nobel de Física ao trabalho que levou à construção do primeiro ADR.

Até 1997, o efeito magneto-calórico era restrito apenas nos materiais que apresentavam transição magnética de 2a segunda ordem: gadolínio, ferro e níquel.

Em 1997, descobriram materiais que registravam transição de 1a ordem: Gd5Ge2Si2. O efeito associado, bem maior, foi então denominado magnetocalórico gigante.

Unicamp + UERJ :: manganês + arsênio + alta pressão efeito 20 vezes maior que o do Gd.MnAs (arsenieto de manganês) e derivados dele.Efeito foi denominado de magnetocalórico colossal, porque ultrapassa em muito o efeitogigante e também o limite magnético esperado para esses materiais.

Variação das diferenças de entropia verificada nos materiais utilizados ao longo do tempo, desde a descoberta do efeito:Convencional: 10 joule/kg.KGigante: 40/50 joule/kg.K na pressão ambienteColossal: 300 joule/kg.K na pressão de 2300 atm300 joule/kg.K também se observa na recente descoberta em que se utilizou dopagem do arsenieto de manganês com ferro e pressão ambiente. Neste caso, os átomos de ferro determinaram a diminuição do volume do retículo cristalino, como se ele estivesse submetido a pressão externa.

Ao se aplicar 2 tesla de campo magnético ao Gd consegue-se uma alteração na temperatura de 5.6oC, em um processo adiabático.

Em um processo isotérmico, pode-se fazer com que 1 Kg do material troque com o reservatório térmico cerca de 360 calorias.

Um quilo do metal 99,9% puro pode custar US$ 6.500. O preço, porém, não é o único obstáculo. Metais lantanídeos oxidam com facilidade, alterando seu potencial magnetocalórico.

lantanídeos com semimetais ou metais de transição, como gadolínio-silício-germânio, lantânio- ferro-cobaltosilício,

lantânio-ferro-silício-hidrogênio,

semimetais e metais de transição sem lantanídeos, como níquel-manganêsgálio,

manganitas, ou óxidos de manganês.

O refrigerador magnético

As amplitudes da entropia magnética e da mudança adiabática da temperatura dependem doprocesso que produz a ordem magnética:

a amplitude é geralmente pequena em antiferromagnetos, ferrimagnetos e em vidros de spin;

pode ser grande em ferromagnetos com transição magnética de 2a ordem;e bem maior em ferromagnetos com transição magnética de 1a ordem.

Referências

1 - Mário Reis, Scientific American Brasil, março 20052 – wikipedia3 – Artigos da UNICAMP