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Usina termoelétrica: energia se transforma, mas não se perde

A termodinâmica é uma área da ciência que estuda as mais variadas formas de energia e de como essas energias podem se converter entre si. Nos seus primeiros estudos, os cientistas acreditavam que a energia era um fluido que podia ser trocado de uma substância para outra. Atualmente, essa definição não é mais usada. O conceito atual de energia é a capacidade de um sistema realizar trabalho. Mas, afinal, o que é um sistema? O que é trabalho?

Quando estudamos um processo termodinâmico, como por exemplo, uma reação química, nós precisamos especificar em qual lugar do universo ele acontece. A partir daí, dividimos esse espaço em duas partes: o sistema, que é exatamente o local onde o processo termodinâmico ocorre, e a vizinhança, que são os arredores do sistema. Juntos, eles formam o universo.

Existem três tipos de sistema: aberto, fechado e isolado. Em um sistema aberto, pode haver a troca de matéria e energia com a vizinhança. No sistema fechado, pode existir a troca de energia com a vizinhança, mas não troca de matéria. Por fim, em um sistema isolado, nem energia nem matéria podem ser trocadas com a vizinhança.

O trabalho é uma das formas de troca de energia e pode ser definido como uma relação entre uma força e o movimento realizado na mesma direção. Essa definição pode parecer um pouco confusa, mas ela é simples e fácil de ser compreendida. Imagine que você queira mudar a sua cama de posição no quarto. Para isso você deverá empurrar a cama para o local desejado, ou seja, realizar um movimento. Se você conseguir mover a cama, a força aplicada por você realizou trabalho sobre a cama.

O que pode parecer surpreendente é que forças que dificultam o movimento também realizam trabalho. Por exemplo, a força de atrito que o chão realiza sobre a cama se opõe a seu movimento. Essa força também realiza trabalho, só que negativo. Desse modo, quando você muda a cama de posição, dizemos que a força aplicada por você realizou trabalho (positivo) sobre a cama, e a força de atrito também realizou trabalho (negativo) sobre a cama.

Um importante tipo de trabalho é o trabalho de expansão. Quando aumentamos a temperatura de um gás e mantemos sua pressão constante, percebemos que o seu volume aumenta e que, por sua vez, a força que o gás exerce sobre as paredes do recipiente em que ele está contido aumenta. Podemos utilizar essa força exercida pelo gás para movimentar uma peça móvel conhecida como pistão, que tem a função de movimentar um mecanismo. Exemplos de mecanismos que usam o trabalho de expansão são os carros e as turbinas de usinas termoelétricas.

Entretanto, o trabalho não é a única forma de um sistema trocar energia com sua vizinhança. O calor é a energia transferida de um lugar para outro devido às diferenças de temperatura. Se um corpo A possui maior temperatura que o corpo B, quando colocados em contato, a tendência é que o corpo A, com temperatura mais elevada, transfira parte da sua energia para o corpo B que está em uma temperatura mais baixa. Quando o corpo A e B atingem a mesma temperatura, dizemos que eles entraram em equilíbrio térmico.

Com os conceitos de calor e trabalho, podemos definir outra grandeza relacionada às trocas de energia: a energia interna. A energia interna de um sistema é a quantidade de energia do sistema disponível para que esse sistema realize trabalho ou transfira energia como calor. A energia interna absoluta não pode ser determinada, por ser muito complexa: ela é o somatório das energias de cada átomo que compõe o sistema e de suas interações com átomos vizinhos.

A união dessas três grandezas, calor, trabalho e energia interna, forma o que hoje nós conhecemos como primeira lei da termodinâmica. A energia interna de um sistema é igual à quantidade de energia transferida na forma de calor ou trabalho. De uma maneira mais simples, podemos enunciar a primeira lei da termodinâmica do seguinte modo: a energia de um sistema isolado não pode ser criada nem destruída, mas pode ser transformada em outras formas de energia.

Quando um sistema realiza trabalho sobre a vizinhança, dizemos que sua energia interna diminuiu, uma vez que parte da energia do sistema foi usada no trabalho sobre a vizinhança. De forma análoga, se a vizinhança realiza trabalho sobre o sistema, a energia do sistema deve subir, pois o trabalho foi realizado no sentido de armazenar energia no sistema. Quanto ao calor, quando um sistema transfere calor à vizinhança, sua energia interna deve diminuir; quando a vizinhança transfere calor para o sistema, a energia interna deste deve aumentar. Note que, em momento algum, energia foi criada ou destruída.

Com a ajuda da primeira lei da termodinâmica, podemos entender as trocas de energia que acontecem em um determinado processo. Você se lembra do exemplo das turbinas de usinas termoelétricas que mencionamos acima? Vejamos como a energia é conservada nesse caso.

Em uma usina termoelétrica, a energia elétrica é gerada a partir da queima de um combustível. Pode não parecer, mas esse combustível que será queimado possui energia armazenada. Essa energia é química: armazena-se nas ligações químicas do material.

Quando queimamos esse combustível, uma parte de sua energia é usada para vaporizar a água. Nessa primeira etapa, a energia interna do combustível foi convertida em energia térmica que deverá aquecer a água até que ela se torne vapor.

A água absorveu a energia liberada na forma de calor e aumentou sua energia interna. Em seguida, a energia interna da água diminui porque ela realiza trabalho nas turbinas da usina termoelétrica. Na parte final, a energia transferida para as turbinas na forma de trabalho se converte em energia elétrica por meio de um gerador elétrico.

A primeira lei da termodinâmica é uma excelente ferramenta para compreendermos como uma forma de energia se converte em outra. Ela permite que determinemos com precisão as quantidades de energia envolvidas nas conversões de um tipo de energia em outro.

Usamos energia para tudo. Desde o funcionamento de equipamentos de última geração até uma simples caminhada no parque. Entender como ocorrem as trocas de energia é fundamental em nossas vidas, pois somos profundamente dependentes dela. E você, consegue pensar em mais situações em que a energia é convertida?