Desafio para os estudantes do nível médio, técnico e superior
Evidentemente, falar numa prova de fogo para estudantes do ensino médio ou superior, onde se pretende tirar energia do gelo, no mínimo é uma incoerência. Mas, é o que propomos com este desafio que os professores podem passar aos seus alunos (valendo nota) envolvendo tecnologia, cálculos de física e de eletrônica.
O que é o desafio
Já provamos em vídeos e artigos (veja links) que é possível gerar energia elétrica a partir do gelo, usando uma célula Peltier “ao contrário”, isto é, aproveitando o efeito Seebeck.
Assim, o desafio proposto (que envolve cálculos) é fazer com que um motor funcione pelo maior tempo possível, alimentado por uma pedra de gelo padronizada (20g, por exemplo).
Duas notas serão dadas aos participantes:
a) Uma referente ao relatório técnico em que o estudante deve mostrar na teoria quanto de energia pode ser obtida da pedra de gelo e por quanto tempo ela alimentaria seu motor. O relatório vale de 6 pontos.
b) Os outros 4 pontos viriam da competição segundo o seguinte critério:
4 pontos para o vencedor (eventualmente 5 se ele não conseguiu 6 na parte de relatório e foi muito bem)
3,5 pontos para o segundo colocado
3 pontos para o terceiro
2,5 a 3 para os demais que conseguirem pelo menos 2 minutos
2 pontos para os que passarem de 1 minuto
1,5 pontos para os que conseguirem fazer o motor girar
1 ponto para os demais
É claro que modificações nesses critérios ficam a cargo do professor.
Os temas transversais
O desafio pode ser aplicado tendo em mente diversos temas transversais.
a) Engenharia
Diversos são os campos da engenharia que poderiam ser envolvidos no trabalho como:
- Fontes alternativas de energia
- Gerenciamento de energia
- Otimização de consumo
Os cálculos para o relatório poderiam incluir:
- Determinação da quantidade de energia obtida.
- Rendimento de uma célula de Peltier (Seebeck)
- Aumento do rendimento com circuitos reguladores
- Armazenamento da energia em supercapacitores
- Considerações sobre recursos térmicos para se obter maior rendimento
- Circuitos e associações de pastilhas
Na prática, podem ser criados os recursos para se obter maior rendimento e maior autonomia como, por exemplo, circuito térmico, uso de dissipadores, uso de pastas térmicas, uso de reguladores de tensão ou corrente, etc.
b) Ensino médio
Para o ensino médio além de podermos aplicar o desafio a física, acoplando à termologia (cálculo de calor latente, calor sensível e transformações de energia), podemos ir além analisando o Ciclo de Carnot das máquinas térmicas.
Podemos ir além analisando a utilização como fonte alternativa e o impacto ambiental. Cálculo interessante seria determinar quanto de energia podemos obter se usarmos todos o gelo que cobre a Groenlândia ou o Polo Sul para obter energia.
A prova
Tirar energia do gelo
É possível tirar energia do gelo? Esse é um desafio que o autor do projeto aceitou e até escreveu uma estória e fez um vídeo. Conforme os professores podem consultar e passar para seus alunos (*), onde houver um gradiente de temperatura pode-se converter energia térmica em eletricidade através de um dispositivo que vamos usar em nosso projeto.
O dispositivo é uma célula ou pastilha Peltier mostrada na figura abaixo.
Essa pastilha é fabricada com um material semicondutor especial que, quando percorrida por uma corrente elétrica transporta o calor de uma face para outra. É o chamado efeito Peltier, em homenagem ao seu descobridor.
Em outras palavras, quando a ligamos numa fonte de energia, remove o calor um lado tirando, e o transfere para o outro lado. Assim, um lado esfria e o outro esquenta. Essa pastilha é usada em pequenas geladeiras, adegas, refrigeradores portáteis e para esfriar componentes eletrônicos nos circuitos.
Mas, há um fato interessante a ser considerado, descoberto por um pesquisador chamado Seebeck.
O que Seebeck descobriu é que o efeito também funcionava ao contrário.
Se forçarmos o calor a fluir de uma face para outra através de uma junção semicondutora (pastilha Peltier), ela gera energia elétrica. Assim, conforme mostra a figura abaixo, se houver um gradiente de temperatura, temos energia elétrica.
Assim, logo de início pensamos que, se esquentarmos de um lado e o calor fluir para o outro temos energia, mas isso não é tudo e aí entra a imaginação de nosso projeto.
Tirando a energia do gelo
Se em lugar de esquentarmos lado, o esfriamos de modo que o calor do lado mais quente flua para ele teremos o que se chama de gradiente térmico. Desta forma a energia é gerada da mesma forma e aí entra oi gelo!
Colocando gelo de um lado, o calor logo começa a fluir do lado que está em contacto com o meio ambiente (mais quente), para derretê-lo e nesse processo temos energia elétrica. Do ponto de vista da física podemos dizer que o gelo contém “energia térmica negativa” em relação ao ambiente que tem “energia térmica nula”. Assim, o fluxo de calor é do ambiente para o gelo e nesse processo a energia negativa do gelo é convertida em eletricidade, ou mesmo, a energia térmica fornecida no processo pelo ar ambiente.
E na prática como fazemos isso.
Basta colocar a pastilha Peltier sobre um objeto de metal que possa ajudar a colher o calor do ar ambiente e sobre a pastilha uma pequena caneca de alumínio onde colocaremos a pedra de gelo, conforme mostra a figura abaixo.
Nos nossos testes obtivemos energia elétrica suficiente para alimentar um motorzinho de corrente contínua de 1,5 a 5 V.
Em outras palavras, enquanto a pedra de gelo derreter e houver um fluxo de calor entre o recipiente de alumínio de baixo para o de cima o motor vai funcionar.
O arranjo
O arranjo é então muito simples. Podemos partir da figura 6 é, é claro, otimizar para obter maior rendimento.
O elemento principal do projeto é uma pastilha de Peltier que é utilizada normalmente em adegas, pequenas geladeiras e na refrigeração de componentes eletrônicos.
A pastilha do tipo que usamos e que pode ser comprada em diversos sites da Internet por um preço bastante acessível (de 18 a 30 reais na época em que escrevemos este artigo).
Esta pastilha tem um rendimento suficiente para o que desejamos, fornecendo alguns volts sob corrente que chega aos 200 mA quando colocada no arranjo que propomos.
Fizemos testes com tipos diferentes e verificamos que todas têm o mesmo rendimento.
O recipiente para o gelo, preferivelmente deve ser o mais próximo quanto seja possível do tamanho da pedra, pois ele absorverá calor e com isso pode contribuir para diminuição da autonomia.
O contato entre o recipiente do gelo e a pastilha deve ser otimizado para maior transferência de calor. Pode ser usada pasta térmica. O contato entre a pastilha e o absorvedor também deve ser otimizado, eventualmente com o uso de pasta térmica.
Como absorvedor de calor pode ser usado um recipiente de alumínio, aletas de alumínio ou outro metal bom condutor de calor ou um dissipador de calor para componentes eletrônicos, como o da figura abaixo.
O motor deve ser escolhido para ter a menor potência possível e funcionar com tensões na faixa de 1,5 V. O menor consumo é justificado pelo fato de que maior consumo carrega mais a pastilha acelerando a transferência de calor e assim fazendo com que o gelo derreta mais rápido.
A pequena hélice usada no motor para monitorar o movimento foi obtida de um kit de helicóptero para festas de aniversário. Pode ser elaborada uma pequena hélice ou disco de papelão. Observe que a montamos numa pequena morsa (torno de mesa) que usamos para segurar componentes e placas.
Uma alternativa seria colar o motor sobe uma caixinha ou pedaço de madeira.
Na figura abaixo temos o arranjo completo para a competição. Veja o vídeo https://youtu.be/LWueJTm-OxM .
O relatório técnico
O relatório deve ser feito de acordo com o nível dos estudantes participantes. O professor deve indicar sua estrutura de modo que fique de acordo com o exigido para trabalhos escolares e científicos.
Importante: o desafio coloca à prova também a correta interpretação dos fenômenos físicos. Será que a energia vem realmente do gelo? Existiria “energia negativa” que o gelo transfere ao meio ambiente? Para os do ensino médio e superior, coloque em jogo o Ciclo de Carnot. Como ele poderia explicar o que ocorre.
Realizando a prova
Todos os estudantes devem apresentar seus arranjos antes da prova, montando-os nas bancadas para uma vistoria inicial pelo professor ou avaliador. Ele verificará se todos os arranjos estão dentro das especificações.
Num vasilhame térmico devem estar disponíveis as pedras de gelo de tamanho uniforme.
Para cada grupo de 4 ou 5 estudantes deve haver um cronometrador que registrará o tempo de acionamento desses competidores.
Ao sinal do professor ou avaliador, cada um deve pegar uma pedra de gelo e colocar no seu arranjo, fazendo com que o motor dê a partida. Essa partida pode ser ajudada com pequeno impulso pelo competidor. Nesse momento, começa a contagem do tempo.
A partir daí cada um terá o seu tempo de acionamento registrado para efeito de nota. No final, devem ficar poucos girando e o tempo sendo registrado, até que o último pare. Ele será o vencedor.
Sugestão: que tal premiar os melhores. Um livro do Instituto seria um excelente presente.
Prova virtual
Com a adoção cada vez maior do ensino à distância (EAD) a prova também pode ser aplicada à distância, mas algumas regras adicionais devem ser impostas.
Pode-se fazer com que o aluno monte e acione o arranjo diante da câmera e o professor cronometre o tempo de acionamento. Evidentemente, deve ficar claro na visualização que nenhum recurso ilícito seja utilizado como, por exemplo, fios ocultos.
Um ponto interessante em relação a recursos ilícitos é a temperatura ambiente. Como o gradiente térmico será tanto maior quanto mais elevada for a temperatura do ar que incide no dissipador (absorvedor) deve ser limitar a temperatura ambiente (28 graus por exemplo), pois uma temperatura alta dará vantagens ao dispositivo.
Temas de pesquisa
- Efeito Peltier e Seeback
- Pastilhas de Peltier
- Calor latente e calor sensível da água
- Gerenciamento de energia
- Reguladores de tensão
- Motores DC
- Associação de pastilhas Peltier em série e em paralelo
- Dissipadores de calor
