A interpretação de Isaac Newton (1642-1727) inventando a força como causa das modificações nos movimentos dos corpos, teve enorme aceitação durante os séculos XVIII e XIX, principalmente porque obteve boas respostas para várias indagações da época estabelecendo o desenvolvimento de uma nova ciência, como anunciara Galileo Galilei (1564-1642), a qual, nesse período, conseguiu modificar substancialmente a estrutura da sociedade européia, principalmente nos aspectos econômico e político.

Mas na Inglaterra do período de Newton, aconteceu a invenção pela via empírica, da primeira máquina a vapor de água para atender a necessidade de retirar água das minas de carvão mineral inundadas, viabilizando economicamente a continuação da extração dessa substância e de outros minerais (ferro, cobre e estanho) das minas cada vez mais profundas.

Essa máquina à vapor deu início, na Inglaterra, ao período econômico europeu denominado de Primeira Revolução Industrial.

Em conseqüência dessas alterações no processo industrial, a Física avançou para além dos conceitos de força e desenvolveu o conceito de energia mecânica.

Naquela época já eram conhecidos vários tipos de máquinas mecânicas simples, muitas concebidas há muito tempo: o plano inclinado, a alavanca, a catapulta, a roldana, a balança, o arco e a flecha, a arma branca. Essas máquinas (ou instrumentos) eram usadas para realizar trabalho mecânico em substituição ao trabalho físico humano, mas o funcionamento de todas ainda dependia da ação muscular do ser humano porque nenhuma delas era movida por transformação física de qualquer substância.

A arma de fogo, talvez desenvolvida pelos árabes e presente na Europa desde o século XIII, provavelmente foi a primeira máquina a funcionar com a transformação físico-química de uma substância – a combustão da pólvora, inventada pelos chineses por volta do ano 1000 d.C – para realizar trabalho mecânico capaz de impulsionar um corpo, a bala, com mais eficiência do que quando é lançada pela mão humana.
A partir do século XVII, as interpretações isoladas de vários fenômenos vão sendo reunidas e os resultados animam os pesquisadores na busca de novas tecnologias. Duas dessas interpretações são a do Torricelli e a do Boyle sucintamente descritas a seguir.

Anterior a Newton, o italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) – colaborador de Galileo nos últimos 3 meses de vida deste – não conheceu a interpretação de força e não tinha evidência que a atmosfera do planeta fosse composta de elementos atômicos.

Nessa época, a conceituação de átomo como uma partícula real ainda era embrionária, pois ainda prevalecia a concepção filosófica herdada dos gregos pré-aristotélicos.

Apesar disso, em 1643, Torricelli realizou uma experiência para demonstrar que a atmosfera terrestre exerce uma pressão sobre os corpos e com isso criou o barômetro, um instrumento para medir a pressão atmosférica. Também pré-Newton, o irlandês Robert Boyle (1627-1691) publicou em 1662 o resultado de seus estudos experimentais relacionando a pressão e o volume de um gás contido em um recipiente em função da temperatura do mesmo.

É com base na pressão atmosférica e na relação entre pressão e volume que, por volta de 1670, o francês Denis Papin (1647-1712) e o holandês Christiaan Huygens (1629-1695) realizaram experiências usando a combustão da pólvora para deslocar verticalmente um pistão (êmbolo) dentro de um cilindro fechado.

Primeiro, o pistão é forçado a subir contra o seu próprio peso devido à pressão do ar que é introduzido no cilindro, depois a pólvora é queimada dentro do cilindro causando a rápida diminuição da pressão interna em comparação com a pressão atmosférica e próprio peso, o que força a descida do pistão.

Depois disso Papin teve a idéia de substituir a pólvora por vapor de água produzido por aquecimento dentro do cilindro por baixo do pistão.

O vapor d’água aumenta a pressão interna causando o deslocamento do pistão para cima vencendo a pressão do próprio peso e a pressão atmosférica. A seguir, o pistão é resfriado bruscamente com água a temperatura ambiente para condensar o vapor d’água e, desse modo, diminuir a pressão interna, forçando a rápida descida do pistão (ver figura 01).

Desse modo, foi concebida uma maneira de tornar o movimento do pistão independente da força muscular do ser humano.

Podemos dizer que Papin foi o inventor da “panela de pressão” e da válvula de segurança para evitar a explosão da mesma, em 1679, mas parece que não conseguiu convencer as mulheres daquela época e industrializar a sua máquina de fazer comida.

Outra máquina a vapor d’água inventada em 1712 pelo ferreiro e mecânico inglês Thomas Newcomen (1662-1729) para drenar água das minas de carvão, foi fundamentada no mesmo princípio de funcionamento do pistão de Papin, com três diferenças:

1- o vapor d’água é produzido fora do cilindro e é injetado no interior do mesmo;
2- o movimento vertical deste primeiro pistão é transmitido para outro pistão também dentro de um cilindro fechado, que extrai a água da mina;
3- o funcionamento do sistema é controlado por válvulas que são abertas ou fechadas em sequência estabelecida.

A causa do movimento do primeiro pistão é a introdução de vapor de água por baixo do mesmo para aumentar a pressão dentro do cilindro e fazer o pistão subir contra a pressão do próprio peso e a pressão atmosférica.

Em seguida, o cilindro é resfriado com água (temperatura ambiente) para condensar o vapor d’água dentro do mesmo, diminuindo bruscamente a pressão interna para fazer o pistão descer até a base do cilindro. Depois o processo é repetido, sendo controlado pelo abrir e fechar de válvulas em cada estágio.

A parte externa desse pistão está rigidamente conectada a outro pistão que é obrigado a se mover dentro de outro cilindro fechado e, com esse movimento vai sugando, através de um tubo cilíndrico, a água de dentro da mina (ver figura 02).

Com uma potência de 5,5 HP e bombeando 12 vezes por minuto, a bomba de água de Newcomen puxava cerca de 45 litros de água por vez, da profundidade de até 46 metros.

Em 1763 o mecânico escocês James Watt (1736-1819) foi encarregado de consertar uma máquina de Newcomen e realizou modificações que aumentaram em 4 vezes a eficiência da mesma.

Então conseguiu a patente relativa a essas melhorias e, associando-se a pessoas que tinham dinheiro para investir, montou uma fábrica de bombas d’água.

Em 1781, Watt inventou uma máquina a vapor com movimento de rotação a qual, em 1783, foi aproveitada por Richard Arkwright (1702-1792) para movimentar os teares de suas fábricas de tecidos.

Essa ainda muito lenta evolução empírica da máquina a vapor dá início à primeira revolução industrial na Inglaterra.

Máquina a Vapor de Newcomen

O funcionamento da máquina a vapor exigiu dos pesquisadores a construção de uma interpretação e conceituação teóricas para descrever o fenômeno do calor, o responsável pela transformação física da substância água para movimentar o pistão.

Foi necessário também compreender melhor a resistência dos materiais sólidos para construir as caldeiras com mais segurança e mais economia.
OBS: A segunda parte desse artigo tratará da construção do conceito de Energia Mecânica.

Uma célula de combustível microbiana é modificada para usar matéria orgânica como fonte de energia e consegue dessalinizar a água enquanto gera eletricidade.

Ninguém mais duvida de que a água potável no planeta Terra é um recurso inestimável o qual devemos e temos que gerir cuidadosamente, pois a oferta mundial está diminuindo.

É sabido também que a água do mar é uma grande e atrativa fonte alternativa para a produção de água potável, porém as atuais tecnologias de dessalinização consomem grandes quantidades de energia e isso inviabiliza a proposta.

Existem vários processos para dessalinizar a água do mar, ou seja, para separar o cloreto de sódio (NaCl) da água (H₂O).

A decantação gravitacional é um processo utilizado há muitos milênios, no entanto apresenta baixo índice de eficiência, visto que são necessários vários ciclos de decantação para conseguir eliminar mais que 90% do sal.

A utilização de um reator – uma célula apropriada para quebrar a ligação iônica entre os átomos de sódio (Na) e cloro (Cl) – depende de muita energia externa para realizar o processo desejado.

Procurando alguma solução para esse problema, a equipe de Xia Huang na Universidade Tsinghua, em Pequim, teve a idéia de modificar uma célula de combustível microbiana para dessalinizar a água e, ao mesmo tempo, gerar energia elétrica.

Uma célula de combustível microbiana típica consiste de dois compartimentos – o ânodo (carga negativa) e o cátodo (carga positiva) – separados por uma membrana iônica.

No compartimento do ânodo, as bactérias oxidam a matéria orgânica para gerar elétrons e prótons, enquanto no compartimento do cátodo, prótons e elétrons combinam com o oxigênio para formar a água.

Para completar o processo, uma corrente elétrica flui do ânodo para o cátodo através de um circuito externo.

Em seu novo aparelho (ver foto), os pesquisadores inseriram uma membrana de troca aniônica próxima ao ânodo e uma membrana de troca catiônica próxima do cátodo. Esta alteração introduz um compartimento central dentro da célula onde ocorre a dessalinização.

Após a produção de eletricidade pelas bactérias, os íons positivos de sódio e os íons negativos de cloro, separados no compartimento central, avançam para os respectivos compartimentos de ânodo e de cátodo.

Usando essa célula modificada, os pesquisadores conseguiram remover cerca de 90% do sal da água do mar em um ciclo e gerar potência elétrica de até 31 watts por metro cúbico de água – 31 W/m³(com base no volume total do reator).

Embora o desempenho nas duas contagens ainda seja insuficiente para aplicações práticas, a abordagem é muito animadora, pois demonstra um grande potencial para resolver problemas de água potável e de energia, simultaneamente.

Vamos ficar torcendo para que essa célula continue sendo desenvolvida e que os resultados logo se tornem economicamente viáveis.

Quem estiver interessado em mais e melhores informações, deve consultar:

Cao, X. et al. A new method for water desalination using microbial desalination cells. Environ. Sci. Technol. doi:10.1021/es901950j (2009).